储介质的接口及协议a.ppt

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1、存储介质的接口介绍,by-李军华 2018年8月,前言,最近接触到的存储产品，觉得好乱，各种各样的转接线，连接器，协议！搞产品开发，各种协议都要找来看，于是就整理了这份文档。包括三个部分：存储设备接口总线及总线速率标准简介,服务器SAS接口型号太多,下面，从简单的说起。SFF是什么呢：Small Form Factor(SFF)Connector,SFF-8643 连接线定义,这个线的下载地址：好难找到，淘宝上有卖此线，8643在服务器主板上有这个接口，走的是PCIe x4信号还是个交叉线，不是直连线服务器背板链接线基本上用的是这个，如果是接硬盘的走的可能是SATA信号。,SAS,SAS：Se

2、rial Attached SCSISAS支持与SATA 设备相兼容，SAS背板可以连接具有双端口高性能的SAS驱动器，也可以链接高容量低成本的SATA驱动器支持点对点（Point-to-Point）连接SCSI接口最多可以连接15个（单通道）或30个（双通道）设备，而SAS则可以连接16384个磁盘设备,SAS硬盘接口定义,这种硬盘接口和普通的PC机SATA硬盘兼容比SATA多了一组信号S8-S14链接器和SATA长得也一样，中间缺口处多了点东西。,SCSI Standards Architecture,SAS：Serial Attached SCSISCSI标准架构包含很多的总线，如：SC

3、SI OV PCIeiSCSI internet,History of serial SCSI,这是一份比较老的截图，SAS2.1、3.0都没包含进来2003 Serial ATA introduced串行SCSI技术在SATA之前就出来了,History of parallel SCSI,SCSI-3有很多型号：Ultra(fast-20)的传输频率20MHz，数据频宽 8位，传输率20MBpsUltra wide 的传输频率20MHz，数据频宽16位，传输率40MBpsUltra 2 的传输频率80MHz，数据频宽16位，传输率80MBpsUltra 160 的传输频率80MHz，数据频宽

4、16位，传输率160MBpsUltra 320 的传输频率80MHz，数据频宽16位，传输率320MBpsUltra 640 的传输频率160MHz，数据频宽16位，传输率640MBps,再来看下硬盘的发展史,1998 UltraDMA/33 and ATAPI standardized2003 Serial ATA introduced2005 Serial ATA 3 Gbit/s standardized2005 Introduction of faster SAS(Serial Attached SCSI)2010 First hard drive manufactured by us

5、ing the Advanced Format of 4,096 bytes a block(4K)instead of 512 bytes a block2012 Western Digital announces the first 2.5-inch,5 mm thick drive,and the first 2.5-inch,7 mm thick drive with two platters31(Western Digital)2012 TDK demonstrates 2 TB on a single 3.5-inch platter32,这个图画得挺好,SAS经历了4代的发展，速

6、度越来越快,历史SAS-1:3.0Gbit/s,introduced in 20045SAS-2:6.0Gbit/s,available since February 2009SAS-3:12.0Gbit/s,available since March 2013SAS-4:22.5Gbit/s called 24G,6standard completed in 201751Multiple connector types:SFF-8482 SATAcompatibleInternal four-lane connectors:SFF-8484,SFF-8087,SFF-8643External

7、 four-lane connectors:SFF-8470,SFF-8088,SFF-8644,红色的我用过,你对这些接口刚到迷茫吗？服务器上的东西五花八门,这些接口都见过吗？,电子硬盘和机械硬盘,机械盘3.5寸和2.5寸的很常见SSD的接口就多了，外形不同接口不同U.2:SFF-8639(now calledU.2)PCIe 3.0 x4 NVMe 1.2M.2 M-KEY(2242 or 2280)PCIe SATAmSATA,SSD接口及总线,U.2:SFF-8639(now calledU.2)PCIe 3.0 x4 NVMe 1.2M.2 M-KEY(2242 or 2280)PC

8、Ie SATAmSATA,PCIE,ssd 750系列,接口 PCIe NVMe 3.0 x4,SFF-8639(now called U.2),NVMe，又称NVM Express，全名为Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification(简称NVMHCI)，中文名为非易失性存储主机控制器接口规范，,PCI Express M.2(Mini PCIe v2),Mini-SATA(mSATA)variant,总线速率及介绍,CPU运算速度,每秒钟执行的指令数，单位MIPS(百万条指令/秒)，p4cup运算速度已超过1000MI

9、PS(10亿次/秒),BPS 理论值和实际值,BPS，是指比特率bps（bits per second），即比特率、比特/秒、位/秒、每秒传送位数，数据传输速率的常用单位。详见Mbps。比特（bit）是信息技术中的最小单位。文件大小（例如文本或图像文件）通常以字节（Byte）为单位。一字节对应八比特。在数据传输中，数据通常是串行传输的，即一个比特接一个比特地传输。数据速率的单位是比特每秒（bps），含义是每秒串行通过的位数。Bps(Bytes per second),即字节每秒，因为一字节对应八比特，所以1 Bps=8bps。数据传输理论速度和实际的数据是不一样的，如果采用8b/10b的编码方

10、式，其实际传输带宽要打个8折,计量单位差异,PCI 的带宽常被引述为 132 MB/秒，这是文稿数据，它的实际带宽是 127.2 MB/秒。造成如此差异是因为：1.对工作频率具体数值引用的不同。2.容量单位上存在二进制计量与十进制计量，132 MB/秒来源于十进制计量，127.2 MB/秒来源于二进制计量。并行总线带宽(MB/s)=并行总线时钟频率(MHz)*并行总线位宽(bit/8=B)*每时钟传输几组数据(cycle)B/s=Hz*bytes*cycleMB/s=MHz*bytes*cycle132 MB/秒：PCI 的工作频率是 33 MHz,即 33 MHz*1000000=33000

11、000 Hz。PCI 的位宽是 32 bits,即 4 bytes。PCI 每时钟传输 1 组数据。33000000 Hz*4 bytes*1 cycle=132000000 byte/s 除以 10的6次方(容量以十进制计量)=132 megabyte/s=132 MB/s而 127.2 MB/秒：PCI 的工作频率是以 30ns 来表示，X ns 的倒数*1000=Y MHz，即 30 ns 的倒数*1000=33.333333 MHz，33.333333 MHz*1000000=33333333 Hz。PCI 的位宽是 32 bits,即 4 bytes。PCI 每时钟传输 1 组数据。

12、33333333 Hz*4 bytes*1 cycle=133333332 byte/s 除以 2的20次方(容量以二进制计量)=127.1566 mebibyte/s=127.2 MB/s=1017.6 Mb/s,串行总线带宽(MB/s)=串行总线时钟频率(MHz)*串行总线位宽(bit/8=B)*串行总线管线*编码方式*每时钟传输几组数据(cycle),各种介质的速率比较,PCI Express*Base Specification Revision 3.0，with transfer rates up to 8GT/s(Gen3)1x 实际速率984.6MBps；4x实际速率3.938G

13、BpsSATA Revision 3.0,理论速率6 Gb/s（约750MBps）,实际速率600MBps（750*80%）；USB 3.0 速率5Gbps(640MBps),实际速率512MBps（640*80%）；USB 3.1速率10Gbps（1280MBps），SAS,PCI E 速率,1.0，2.0标准中，采用的是8b/10b的编码方式，也就是说，每传输8比特有效数据，要附带两比特的校验位，实际要传输10比特数据。因此，有效带宽=原始数据传输带宽*80%。3.0标准中，使用了更为有效的128b/130b编码方案从而避免20%带宽损失，3.0的浪费带宽仅为1.538%，基本可以忽略不计

14、，因此8GT/s的信号不再仅仅是一个理论数值，它将是一个实在的传输值,PCI Express*Base Specification Revision 3.0，with transfer rates up to 8GT/s(Gen3)1x 实际速率984.6MBps；4x实际速率3.938GBps,PCI E 速率（续）,几个概念：传输速率为每秒传输量GT/s，而不是每秒位数Gbps，因为传输量包括不提供额外吞吐量的开销位；比如 PCIe 1.x和PCIe 2.x使用8b/10b编码方案，导致占用了20%（=2/10）的原始信道带宽。GT/s Giga transation per second

15、（千兆传输/秒），即每一秒内传输的次数。重点在于描述物理层通信协议的速率属性，可以不和链路宽度等关联。Gbps Giga Bits Per Second（千兆位/秒）。GT/s 与Gbps 之间不存在成比例的换算关系。吞吐量=传输速率*编码方案,PCI E 速率计算,例如：PCI-e2.0 协议支持 5.0 GT/s，即每一条Lane 上支持每秒钟内传输 5G个Bit；但这并不意味着 PCIe 2.0协议的每一条Lane支持 5Gbps 的速率。为什么这么说呢？因为PCIe 2.0 的物理层协议中使用的是 8b/10b 的编码方案。即每传输8个Bit，需要发送10个Bit；这多出的2个Bit并

16、不是对上层有意义的信息。那么，PCIe 2.0协议的每一条Lane支持 5*8/10=4 Gbps=500 MB/s 的速率。以一个PCIe 2.0 x8的通道为例，x8的可用带宽为 4*8=32 Gbps=4 GB/s。PCI-e3.0 协议支持 8.0 GT/s,即每一条Lane 上支持每秒钟内传输 8G个Bit。而PCIe 3.0 的物理层协议中使用的是 128b/130b 的编码方案。即每传输128个Bit，需要发送130个Bit。那么，PCIe 3.0协议的每一条Lane支持 8*128/130=7.877 Gbps=984.6 MB/s 的速率。一个PCIe 3.0 x16的通道，

17、x16 的可用带宽为 7.877*16=126.031 Gbps=15.754 GB/s。,4*1000/8=5001G=1000M而不是1024M计量方式不同：二进制还是十进制,串行总线带宽(MB/s)=串行总线时钟频率(MHz)*串行总线位宽(bit/8=B)*串行总线管线*编码方式*每时钟传输几组数据(cycle),USB接口-1：速率,随着IT行业不断进步，USB历经以下几个阶段：USB1.0：1.5Mbps(192KB/s)低速(Low-Speed)500mA1996年1月；USB1.1：12Mbps(1.5MB/s)全速(Full-Speed)500mA1998年9月；USB2.0

18、：480Mbps(60MB/s)高速(High-Speed)500mA2000年4月；USB3.0：5Gbps(640MB/s)超速(Super-Speed)900mA2008年11月；。USB 3.1：传输速度为10Gbit/s，三段式电压5V/12V/20V，最大供电100W。USB 3.0的实际读取只能到428MB/s，写入则刚达到400MB/sUSB 3.1的实际读取822.3MB/s、写入826.0MB/s，超过了800MB/s,USB接口-1：速率（续）,USB3.0也采用了8b/10b的编码方式，因此实际传输带宽也要打个8折：640MB/s*80%=512MB/s,5*1024/

19、8=6401G=1024M而不是1000M,USB接口-2：外观,USB TYPE-A（2.0和3.0兼容）USB 2.0 黑色的USB 3.0 蓝色的USB3.1通常为蓝绿色,USB TYPE-C(3.1)USB3.1 GEN1：USB3.1规范分为USB3.1 GEN1与USB3.1 GEN2，目前苹果新款macbook属于USB3.1 GEN1，其带宽为5Gbps；只有USB3.1 GEN2规范，带宽才能达到10Gbps；,一般来说，PC上的USB接口均为标准Type-A，而外部设备则多采用Type-BMicro-USB 3.0的A型及B型接口数高速移动硬盘了，其中绝大多数均为Type-

20、B类型,USB接口-3：外观,Mini-USB被广泛应用在数码产品上，诸如MP3，数码相机以及移动硬盘等等。Mini-B型用的多，这是因为Mini-A型就接口的防呆性较差，数据线可通用。Micro-USB接口是Mini-USB接口的改良版，它再次缩小了体积，更适用于现在越来越轻薄的移动设备。目前我们所使用的便携设备，绝大多数都采用了Micro-USB接口，Mini-USB已基本被淘汰。，Micro-USB接口的Type-B型也是Type-A型的改良版，Micro-B防呆设计优秀我们接触最多的Micro-USB3.0接口设备就要数高速移动硬盘了，其中绝大多数均为Type-B类型,Type-CUS

21、B3.1,1,SATA,SATA的全称是Serial Advanced Technology Attachment，是由Intel、IBM、Dell、APT、Maxtor和Seagate公司共同提出的硬盘接口规范ATA（Advanced Technology Attachment）2001-Serial ATA 1.0标准，硬盘的外部传输速率理论值提高到了150MB/sSATA3.0又称SATA6Gbps，SATA2.0则为SATA3Gbps支持热插拔,History of serial ATA,SATA1.0理论传输速度为1.5Gbit/sSATA2.0理论传输速度为3Gbit/sSATA3

22、.0理论传输速度为6Gbit/sSATA2的理论传输速度为3Gb/s，即375MB/S的数据量，实际速度在8成左右，300MB/SSATA3的理论传输速度为6Gb/s，即750MB/S的数据量，实际速度在8成左右，600MB/SSerial ATA接口采用了一套用来确保数据流特性的编码机制，这套编码机制将原本每字节所包含的8位数据(即1Byte=8bit)编码成10位数据(即1Byte=10bit)，这样一来，Serial ATA接口的每字节串行数据流就包含了10位数据，经过编码后的Serial ATA传输速率就相应地变为Serial ATA实际传输速率的十分之一，所以1.5Gbps=150M

23、B/sec，而3.0Gbps=300MB/sec。,3*1024/8=3843*1000/8=375应该是384，,为什么会写成375呢？1G=1000M而不是1024M计算时要注意下这个问题,AS SSD Benchmark是一个专门为SSD测试而设计的软件。可以测试出固态硬盘的持续读写性能，包括4KB小文件的传输性能等等，成绩显示可以分为两种，一种是MB/S的形式，另一种是IOPS形式。,iSCSI NFS,SFF-8644,The SFF-8644 is the latest HD MiniSAS connector design for implementing HD SAS Exte

24、rnal interconnect solutions.The SFF-8644 is a 36-pin High Density SAS connector,and utilizes a metal outer shell compatible with shielded external connections.Typical application would be a SAS link between a SAS HBA to a SAS drive subsystem.The SFF-8644 is compliant with the latest SAS 3.0 spec,and

25、 supports 12Gb/s data transfer protocolThe SFF-8644s HD MiniSAS internal counterpart is the SFF-8643 which is also SAS 3.0 compliant,and also supports 12Gb/s SAS data transfer speeds.Both the SFF-8644 and the SFF-8643 can support up to 4-ports(4 lanes)of SAS data.CS Electronics has incorporated this

26、 connector onto both cable assemblies and pcb adapters.These newer SFF-8644 and SFF-8643 HD SAS connector interfaces have essentially replaced the older SFF-8088 external and the SFF-8087 internal SAS interfaces,however CS Electronics continues to support our customers needs for the older interface

27、cables and adapters.,SFF-8643,The SFF-8643 is the latest HD MiniSAS connector design for implementing HD SAS Internal interconnect solutions.The SFF-8643 is a 36-pin High Density SAS connector,and utilizes a plastic body typically used in internal connections.Typical application would be a INTERNAL

28、SAS link between a SAS HBA to SAS drives.The SFF-8643 is compliant with the latest SAS 3.0 spec,and supports 12Gb/s data transfer protocolThe SFF-8643s HD MiniSAS external counterpart is the SFF-8644 which is also SAS 3.0 compliant,and also supports 12Gb/s SAS data transfer speeds.Both the SFF-8643

29、and the SFF-8644 can support up to 4-ports(4 lanes)of SAS data.CS Electronics has incorporated this connector onto both cable assemblies and pcb adapters.These newer SFF-8643 and SFF-8644 HD SAS connector interfaces have essentially replaced the older SFF-8088 external and the SFF-8087 internal SAS

30、interfaces,however CS Electronics continues to support our customers needs for the older interface cables and adapters.,SFF 8643 信号定义,Cabe entry,SFF-8680,The SFF-8680 is the latest connector design for interfacing a connection to a SAS drive both SAS Hard drives and SAS SSD drives.The SFF-8680 is a

31、29-pin connector with a plastic body,and configured with 15 pins that support the power requirements of the drive,and(2)groups of 7 pins that carry the SAS data signals.The SFF-8680 supports 2 SAS ports(lanes)to/from the drive.The SFF-8680 can be incorporated onto a pcb“docking backplane”for multipl

32、e drives,onto a single-drive“T-Card”adapters such as CS Electronics ADP-4480 and ADP-4380,or even used as a cable interface to plug directly onto a drive.The SFF-8680 is compliant with the latest SAS 3.0 spec,and supports 12Gb/s data transfer protocolThis newer SFF-8680 drive interface connector int

33、erfaces has essentially replaced the older SFF-8482 drive interface connector,SFF-8639(now called U.2),The SFF-8639 is the latest connector design for interfacing a connection to a either a MultiLink SAS drive or a PCIe drive both Hard drives and SSD drives.It was recently re-named by the SSD Small

34、Form Factor Working Group as U.2.The SFF-8639 is a revision of the SFF-8680,which is a 29-pin 2-Lane SAS drive interface.The SFF-8639 U.2 is a 68-pin drive interface connector which has higher signal qualities to support 12Gb/s SAS and Gen 3 x4 PCIe,or PCI Express NVMe.The SFF-8639/U.2 connector can

35、 be incorporated onto a pcb“docking backplane”for multiple drives,or onto a single-drive“T-Card”adapters such as CS Electronics ADP-4439,ADP-43V39,and the new 2.5 PCIe NVMe SSD Cable adapter kit ADP-PCIe-43V39.The SFF-8639 U.2 connector has a total of 6 High-Speed signal paths,however both the SAS a

36、nd PCIe specifications only ever use up to 4 lanes at any time.It is compliant with the latest 12Gb/s SAS 3.0 spec as well as x4 Gen3 PCIe and SSD Form Factor V 1.0.,太网的传输速度,使用8B/10B编码方式,网线种类及参数,T,Totusoft LAN Speed Test 对千兆网进行传输速度测试（双机互联，XP操作系统）PCI总线频率为33MHz，总线位宽为32bit，PCI总线的带宽为127MB/s，换算下来即为1016Mb

37、ps，理论上刚好达到千兆网卡的带宽的。但实际上，所有的PCI设备都是共享一个总线带宽，包括IDE总线、集成的声卡都是通过PCI总线工作的，这样分配给PCI千兆网卡的带宽自然也就不够了。某些主板集成的网卡就是使用PCI总线，所以，网络传输速度一般很难超过600Mbps。,网卡速率,PCIE(Gen3)1x 984MB/s=7872Mb/s4x 3.938GB/s=31.5Gb/s,XFP（10G Small Form Factor Pluggable）,传输光的波长是 850nm,1310nm 或1550nm10G Base EthernetSONET/SDH Support传输速率9.953Gbps10.3Gbps,NVME,NVME是协议，最新版本3.0符合NVME协议的存储设备接口有多种SFF-8639(now called U.2)intel的ssd 750M.2 PCIE SSD,