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是不是还在傻傻分不清,什么是m.2、什么是NVme,什么是AHCI,什么是SATA?

hqy hqy 发表于2025-02-25 19:15:36 浏览4 评论0

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兄弟们,是不是还在傻傻分不清,什么是m.2、什么是NVme,什么是AHCI,什么是SATA?那今天即到哥,就和兄弟们分享一下,这些到底是什么东西,到底有什么用?到底这些底层逻辑都是如何运行的?

图片解决过程

想要型清楚上面这些都是什么意思,那就必须要搞懂硬盘的计算机中工作的三大要素,这三大要素取决于硬盘的读写速度,那这三大要素是什么呢?
那就是硬盘总线、协议和接口。它们共同决定了硬盘与计算机系统之间的连接方式和传输效率。
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是不是看到现在的硬盘上写着NVme,PCIe,这都是啥意思,下面我们来慢慢分析?
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一、 总线(Bus):总线是计算机内部或外部设备之间传输数据的“通道”,负责在硬盘、主板、CPU等组件之间传递电信号和数据。总线就相当于是在主板上的马路,数据要在这个总线上和其它部件之间传输数据。

那我们常见的总线类型:

1.SATA(Serial ATA

特点串行传输,成本低,兼容性强。

速度:SATA III 最大理论带宽 6Gbps(约 600MB/s)

应用:传统机械硬盘(HDD)和早期 SATA SSD。

SATA总线:串行ATA总线,主要用于连接硬盘和光驱等设备。SATA 3.0是目前最常见版本,理论传输速度为6Gbps。

2.PCIe(Peripheral Component Interconnect Express)

PCIe 3.0 x4:32Gbps(约 4GB/s)

PCIe 4.0 x4:64Gbps(约 8GB/s)

特点:高速串行总线,支持多通道并行传输(如 PCIe 4.0 x4)。

速度为 PCIe 总线优化,支持多队列并行操作,延迟极低。

应用:高性能 NVMe SSD。

PCIe总线:PCI Express总线,是一种高速串行总线,广泛用于显卡、固态硬盘等设备。PCIe 3.0 x4的理论速度可达32Gbps。PCIe 4.0 x4的理论速度可达64Gbps。

3.SAS(Serial Attached SCSI)

特点:企业级总线,支持双端口冗余和长距离传输。

速度:SAS-4 理论带宽 22.5Gbps(约 2.25GB/s)

应用:服务器、数据中心的高端存储设备。

SAS这个我们暂时不多讲,因为在家庭使用中非常少,主要用于企业的中心机房服务器。

4.USB(Universal Serial Bus)

USB 3.2 Gen 2x2:20Gbps(约 2.5GB/s)

USB4(基于雷电3):40Gbps(约 5GB/s)

特点:通用外部总线,支持热插拔。

USB4(基于雷电3):40Gbps(约 5GB/s)特点:通用外部总线,支持热插拔。

速度:USB 3.2 Gen 2x2:20Gbps(约 2.5GB/s),USB4(基于雷电3):40Gbps(约 5GB/s)。

应用U盘、移动硬盘、外置 SSD。

我们主要来看一下,SATA总线和PCIE总线。现在总线看完了,那我们要再看一下协议。

二、 协议(Protocol):协议是数据传输的规则和标准,规定了数据如何在总线上传输。

那我们常见的协议类型:

1.AHCI协议:Advanced Host Controller Interface,主要用于SATA接口的硬盘和固态硬盘。AHCI为SATA总线设计,支持多队列命令,但队列深度有限。这个是我们看到过最多的。

特点:为 SATA 总线设计,兼容性强,但延迟较高。

应用:SATA SSD 和 HDD。

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2.NVMe协议:Non-Volatile Memory Express,专为PCIe总线设计,充分利用了PCIe的低延迟和高带宽特性。NVMe支持多达64K队列,队列深度也高达64K,显著提升了固态硬盘的性能。

NVMe(Non-Volatile Memory Express)

特点:为 PCIe 总线优化,支持多队列并行操作,延迟极低。

速度:PCIe 4.0 x4 SSD 可达 7GB/s 以上

应用:高性能 NVMe SSD。

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3.SCSI(Small Computer System Interface)

特点:企业级协议,支持复杂命令队列和错误恢复。

应用:SAS 硬盘、企业级存储。

4.UASP(USB Attached SCSI Protocol)

特点:优化 USB 传输效率,降低 CPU 占用率。

应用:高端 USB 外置存储设备。

    我们主要来看一下,AHCI协议和NVME协议。

    那总线和协议也都看完了,那这时我看一下最简单的接口,因为硬盘的接口是我们肉眼可以看得到的,最直观的,所以很多人对接口也都理解。

    三、接口(Interface):接口是硬盘与主板之间的物理连接方式,决定了硬盘如何与系统通信。

    常用接口类型:

    1.SATA接口:基于SATA总线,使用AHCI协议,广泛应用于机械硬盘和部分固态硬盘。

    形态:L 型 7 针接口(2.5 英寸硬盘)。

    兼容总线:SATA。

      应用:机械硬盘、SATA SSD。

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        2.M.2接口:新一代高性能接口,支持SATA和PCIe两种总线。M.2接口的固态硬盘可以使用AHCI或NVMe协议,其中PCIe + NVMe组合性能最高。

        SATA 模式:通过 AHCI 协议。

        PCIe 模式:通过 NVMe 协议。

        形态:小型板卡式接口,支持多种长度(如 2242、2280)。

        兼容总线

        SATA 模式:通过 AHCI 协议。

        PCIe 模式:通过 NVMe 协议。

        应用:NVMe SSD、轻薄本存储。

        如果为客户换硬盘的时候,一定要看清楚,客户是的硬盘是什么接口,什么协议,如果拿错了,过去还换不了。

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        3.mSATA接口:迷你SATA接口,主要用于超薄笔记本等空间受限的设备。现在已经很少使用mstat接口作为主要接口了。

        M.2 SATA SSD 使用传统的 AHCI 协议,受限于 SATA 3.0 的带宽(最高约 600 MB/s),而 NVMe 协议通过 PCIe 通道(如 PCIe 3.0 x4)可实现 3500 MB/s 以上的读写速度。

        M.2 接口本身支持 PCIe 通道,但 SATA 协议无法利用这一优势,导致 M.2 SATA SSD 的性能与传统 2.5 英寸 SATA SSD 几乎相同。

        主板厂商逐渐减少对 M.2 SATA 模式的支持,推动用户转向 NVMe SSD。

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        4.U.2接口:主要用于数据中心和高性能存储设备,支持SAS和NVMe协议。

        形态:类似 SATA,但支持 PCIe 通道。

        兼容总线:PCIe。

        应用:企业级 NVMe SSD。

        我们暂时不讲u.2接口协议。

        5.PCIe 插槽:

        形态:直接插入主板 PCIe 插槽(如显卡插槽)。

        兼容总线:PCIe。

        应用:高性能扩展卡式 SSD(如 Intel Optane)。


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        6.USB 接口

        形态:Type-A、Type-C 等。

        兼容总线:USB。

        应用:外置移动硬盘。


        那我们再来总结一下:

        1. 接口是物理连接方式,决定设备形态和兼容性(如 M.2 接口支持 NVMe 或 SATA 协议)。

        2. 协议是交通规则,影响传输效率和延迟(如 NVMe 比 AHCI 更快)。

        3. 总线是数据传输的“高速公路”,决定带宽上限(如 PCIe 4.0)。

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        SATA硬盘:使用SATA总线 + AHCI协议 + SATA接口。

        高性能PCIe固态硬盘:使用PCIe总线 + NVMe协议 + M.2接口。

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        SATA 模式 ➔ AHCI 协议
        SATA 通道的 M.2 硬盘(如传统 SATA SSD)通过 AHCI 协议与系统通信,但受限于 SATA 带宽(最高约 600 MB/s)。

        PCIe 模式 ➔ NVMe 协议
        PCIe 通道的 M.2 硬盘需使用 NVMe 协议,专为高速 PCIe 设计,可充分发挥性能(如 PCIe 3.0 x4 可达 3.5 GB/s 以上)。

        如何选择硬盘,选择建议:

        • 普通用户:SATA SSD(性价比高,兼容性强)。

        • 高性能需求:NVMe SSD(如 PCIe 4.0 x4)。

        • 服务器/企业级:SAS 或 U.2 NVMe SSD。

        • 便携存储:USB 3.2/4 外置 SSD。

        有两个问题和兄弟们分享一下:

        第1个问题:为何 PCIe 总线模式下一般不兼容 AHCI协议?

        • 协议设计差异
          AHCI 是为 SATA 设计的旧协议,其队列深度和效率无法有效利用 PCIe 的高带宽和低延迟优势。

        • 硬件与驱动支持
          主流主板和 M.2 SSD 的控制器普遍默认 PCIe + NVMe 组合,操作系统(如 Windows/Linux)对 NVMe 原生支持,无需额外驱动。


        例外情况(罕见)

        • 早期过渡方案
          极少数早期 PCIe SSD(如三星 SM951 的 AHCI 版本)通过 PCIe 接口运行 AHCI 协议,但性能受限(如顺序读写约 1.5 GB/s),且逐渐被 NVMe 取代。

        第二个问题:m.2硬盘接口的为什么有一个缺口和两个缺口之分?


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        • 单缺口(B/M Key):明确区分高性能 NVMe 和低带宽设备。

        • 双缺口(B+M Key):通过兼容性牺牲带宽,服务于 SATA 或旧平台用户。

        • 误区1:双缺口硬盘性能更强。
          真相:双缺口硬盘多为 SATA 或低带宽 PCIe ×2 设备,性能远低于单 M Key 的 PCIe ×4 NVMe SSD。

        • 误区2:所有 M.2 接口都支持 NVMe。
          真相:需同时满足 M Key 插槽 + NVMe 协议支持,部分旧主板仅支持 SATA 模式。

        • 误区3:双缺口 SSD 可随意插任意 M.2 插槽。
          真相:虽然物理兼容,但实际协议需与主板匹配(如 B+M Key 的 SATA SSD 插入 M Key 插槽时,需主板支持 SATA 模式)。


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