IDE、SATA、SCSI、SAS、FC、SSD硬碟型別介紹
目前所能見到的硬碟介面型別主要有IDE、SATA、SCSI、SAS、FC、SDD等。
IDE是俗稱的並口(資料並行傳輸,1次傳輸8位),SATA是俗稱的串列埠(資料序列傳輸,一次傳輸1位),這兩種硬碟是個人電腦和低端伺服器常見的硬碟。SCSI是"小型計算機系統專用介面"的簡稱,SCSI硬碟就是採用這種介面的硬碟。SAS就是串列埠的SCSI介面。一般伺服器硬碟採用這兩類介面,其效能比上述兩種硬碟要高,穩定性更強,但是價格高,容量小,噪音大。FC是光纖通道,和SCIS介面一樣光纖通道最初也不是為硬碟設計開發的介面技術,是專門為網路系統設計的,但隨著儲存系統對速度的需求,才逐漸應用到硬碟系統中。SSD也稱作電子硬碟或者固態電子盤,是由控制單元和固態儲存單元(DRAM或FLASH晶片)組成的硬碟。固態硬碟的介面規範和定義、功能及使用方法上與普通硬碟的相同,在產品外形和尺寸上也與普通硬碟一致。新一代的固態硬碟普遍採用SATA-2介面。但其成本較高。
一、IDE
IDE(Integrated Drive Electronics整合驅動器電子)的縮寫,它的本意是指把控制器與盤體整合在一起的硬碟驅動器,是一種硬碟的傳輸介面,它有另一個名稱叫做ATA(Advanced Technology Attachment),這兩個名詞都有廠商在用,指的是相同的東西。
IDE的規格後來有所進步,而推出了EIDE(Enhanced IDE)的規格名稱,而這個規格同時又被稱為Fast ATA。所不同的是Fast ATA是專指硬碟介面,而EIDE還制定了連線光碟等非硬碟產品的標準。而這個連線非硬碟類的IDE標準,又稱為ATAPI介面。而之後再推出更快的介面,名稱都只剩下ATA的字樣,像是Ultra ATA、ATA/66、ATA/100等。
早期的IDE介面有兩種傳輸模式,一個是PIO(Programming I/O)模式,另一個是DMA(Direct Memory Access)。雖然DMA模式系統資源佔用少,但需要額外的驅動程式或設定,因此被接受的程度比較低。後來在對速度要求愈來愈高的情況下,DMA模式由於執行效率較好,作業系統開始直接支援,而且廠商更推出了愈來愈快的DMA模式傳輸速度標準。而從英特爾的430TX晶片組開始,就提供了對Ultra DMA 33的支援,提供了最大33MB/sec的的資料傳輸率,以後又很快發展到了ATA 66,ATA 100以及邁拓提出的ATA 133標準,分別提供66MB/sec,100MB/sec以及133MB/sec的最大資料傳輸率。值得注意的是,邁拓提出的ATA 133標準並沒能獲得業界的廣泛支援,硬碟廠商中只有邁拓自己才採用ATA 133標準,而日立(IBM),希捷和西部資料則都採用ATA 100標準,晶片組廠商中也只有VIA,SIS,ALi以及nViidia對次標準提供支援,晶片組廠商中英特爾則只支援ATA 100標準。各種IDE標準都能很好的向下相容,例如ATA 133相容ATA 66/100和Ultra DMA33,而ATA 100也相容Ultra DMA 33/66。
要特別注意的是,對ATA 66以及以上的IDE介面傳輸標準而言,必須使用專門的80芯IDE排線,其與普通的40芯IDE排線相比,增加了40條地線以提高訊號的穩定性。
二、SATA
使用SATA(Serial ATA)口的硬碟又叫串列埠硬碟。2001年,由Intel、APT、Dell、IBM、希捷、邁拓這幾大廠商組成的Serial ATA委員會正式確立了Serial ATA 1.0規範。
2002年,雖然序列ATA的相關裝置還未正式上市,但Serial ATA委員會已搶先確立了Serial ATA 2.0規範(SATA II)。
Serial ATA採用序列連線方式,序列ATA匯流排使用嵌入式時鐘訊號,具備了更強的糾錯能力,與以往相比其最大的區別在於能對傳輸指令(不僅僅是資料)進行檢查,如果發現錯誤會自動矯正,這在很大程度上提高了資料傳輸的可靠性。序列介面還具有結構簡單、支援熱插拔的優點。
串列埠硬碟是一種完全不同於並行ATA的新型硬碟介面型別,由於採用序列方式傳輸資料而知名。相對於並行ATA來說,就具有非常多的優勢。
a). Serial ATA以連續序列的方式傳送資料,一次只會傳送1位資料。這樣能減少SATA介面的針腳數目,使連線電纜數目變少,效率也會更高
b).實際上,Serial ATA僅用四支針腳就能完成所有的工作,分別用於連線電纜、連線地線、傳送資料和接收資料,同時這樣的架構還能降低系統能耗和減小系統複雜性。
c). Serial ATA的起點更高、發展潛力更大,Serial ATA 1.0定義的資料傳輸率可達150MB/s;這比最快的並行ATA(即ATA/133)所能達到133MB/s的最高資料傳輸率還高;而在Serial ATA 2.0的資料傳輸率達到300MB/s;最終SATA將實現600MB/s的最高資料傳輸率。
在選購主機板時,其實並無必要太在意IDE介面傳輸標準有多快,其實在ATA 100,ATA 133以及SATA 150下硬碟效能都差不多,因為受限於硬碟的機械結構和資料存取方式,硬碟的效能瓶頸是硬碟的內部資料傳輸率而非外部介面標準,目前主流硬碟的內部資料傳輸率離ATA 100的100MB/sec都還差得很遠。所以要按照自己的具體需求選購。
三、SATA II
SATA的速度是每秒1.5Gbps(150MB/sec),SATA2(Serial ATA 2.0規範)的速度是每秒3Gbps(300MB/sec)。SATAⅡ介面主機板能插SATA硬碟,SATA介面主機板不能插SATAⅡ盤硬,這都是向下相容的。
SATA II是在SATA的基礎上發展起來的,其主要特徵是外部傳輸率從SATA的1.5G進一步提高到了3G,此外還包括NCQ(Native Command Queuing,原生命令佇列)、埠多路器(Port Multiplier)、交錯啟動(Staggered Spin-up)等一系列的技術特徵。單純的外部傳輸率達到3Gbps並不是真正的SATA II。
SATA II的關鍵技術就是3Gbps的外部傳輸率和NCQ技術。
NCQ技術可以對硬碟的指令執行順序進行優化,避免像傳統硬碟那樣機械地按照接收指令的先後順序移動磁頭讀寫硬碟的不同位置,與此相反,它會在接收命令後對其進行排序,排序後的磁頭將以高效率的順序進行定址,從而避免磁頭反覆移動帶來的損耗,延長硬碟壽命。
另外並非所有的SATA硬碟都可以使用NCQ技術,除了硬碟本身要支援 NCQ之外,也要求主機板晶片組的SATA控制器支援NCQ。此外,NCQ技術不支援FAT檔案系統,只支援NTFS檔案系統。
由於SATA裝置市場比較混亂,不少SATA裝置提供商在市場宣傳中濫用“SATA II”的現象愈演愈烈,例如某些號稱“SATA
II”的硬碟卻僅支援3Gbps而不支援NCQ,而某些只具有1.5Gbps的硬碟卻又支援NCQ。所以,由希捷(Seagate)所主導的SATA-IO(Serial ATA International Organization,SATA國際組織,原SATA工作組)又宣佈了SATA 2.5規範,收錄了原先SATA II所具有的大部分功能——從3Gbps和NCQ到交錯啟動(Staggered Spin-up)、熱插拔(Hot Plug)、埠多路器(Port Multiplier)以及比較新的eSATA(External SATA,外接式SATA介面)等等。
值得注意的是,部分採用較早的僅支援1.5Gbps的南橋晶片(例如VIA VT8237和NVIDIA nForce2 MCP-R/MCP-Gb)的主機板在使用SATA II硬碟時,可能會出現找不到硬碟或藍屏的情況。不過大部分硬碟廠商都在硬碟上設定了一個速度選擇跳線,以便強制選擇1.5Gbps或3Gbps的工作模式(少數硬碟廠商則是通過相應的工具軟體來設定),只要把硬碟強制設定為1.5Gbps,SATA
II硬碟照樣可以在老主機板上正常使用。
SATA硬碟在設定RAID模式時,一般都需要安裝主機板晶片組廠商所提供的驅動,但也有少數較老的SATA RAID控制器在打了最新補丁的某些版本的Windows XP系統裡不需要載入驅動就可以組建RAID。
四、SCSI
SCSI的英文全稱為“Small Computer System Interface”(小型計算機系統介面),是同IDE(ATA)完全不同的介面,IDE介面是普通PC的標準介面,而SCSI並不是專門為硬碟設計的介面,是一種廣泛應用於小型機上的高速資料傳輸技術。SCSI介面具有應用範圍廣、多工、頻寬大、CPU佔用率低,以及熱插拔等優點,但較高的價格使得它很難如IDE硬碟般普及,因此SCSI硬碟主要應用於中、高階伺服器和高檔工作站中。
五、SAS
SAS(Serial Attached SCSI)即序列連線SCSI,是新一代的SCSI技術。和現在流行的Serial ATA(SATA)硬碟相同,都是採用序列技術以獲得更高的傳輸速度,並通過縮短連結線改善內部空間等。SAS是並行SCSI介面之後開發出的全新介面。此介面的設計是為了改善儲存系統的效能、可用性和擴充性,並且提供與SATA硬碟的相容性。SAS的介面技術可以向下相容SATA。具體來說,二者的相容性主要體現在物理層和協議層的相容。
a). 在物理層,SAS介面和SATA介面完全相容,SATA硬碟可以直接使用在SAS的環境中,從介面標準上而言,SATA是SAS的一個子標準,因此SAS控制器可以直接操控SATA硬碟,但是SAS卻不能直接使用在SATA的環境中,因為SATA控制器並不能對SAS硬碟進行控制;
b). 在協議層,SAS由3種類型協議組成,根據連線的不同裝置使用相應的協議進行資料傳輸。其中序列SCSI協議(SSP)用於傳輸SCSI命令;SCSI管理協議(SMP)用於對連線裝置的維護和管理;SATA通道協議(STP)用於SAS和SATA之間資料的傳輸。因此在這3種協議的配合下,SAS可以和SATA以及部分SCSI裝置無縫結合。
SAS系統的背板(Backplane)既可以連線具有雙埠、高效能的SAS驅動器,也可以連線高容量、低成本的SATA驅動器。所以SAS驅動器和SATA驅動器可以同時存在於一個儲存系統之中。但需要注意的是,SATA系統並不相容SAS,所以SAS驅動器不能連線到SATA背板上。由於SAS系統的相容性,使使用者能夠運用不同介面的硬碟來滿足各類應用在容量上或效能上的需求,因此在擴充儲存系統時擁有更多的彈性,讓儲存裝置發揮最大的投資效益。
在系統中,每一個SAS埠可以最多可以連線16256個外部裝置,並且SAS採取直接的點到點的序列傳輸方式,傳輸的速率高達3Gbps,估計以後會有6Gbps乃至12Gbps的高速接口出現。
SAS的介面也做了較大的改進,它同時提供了3.5英寸和2.5英寸的介面,因此能夠適合不同伺服器環境的需求。
SAS依靠SAS擴充套件器來連線更多的裝置,目前的擴充套件器以12埠居多,不過根據板卡廠商產品研發計劃顯示,未來會有28、36埠的擴充套件器引入,來連線SAS裝置、主機裝置或者其他的SAS擴充套件器。
和傳統並行SCSI介面比較起來,SAS不僅在介面速度上得到顯著提升(現在主流Ultra 320 SCSI速度為320MB/sec,而SAS才剛起步速度就達到300MB/sec,未來會達到600MB/sec甚至更多),而且由於採用了序列線纜,不僅可以實現更長的連線距離,還能夠提高抗干擾能力,並且這種細細的線纜還可以顯著改善機箱內部的散熱情況。
SAS目前的不足主要有以下方面:
a).硬碟、控制晶片種類少:
只有希捷、邁拓以及富士通等為數不多的硬碟廠商推出了SAS介面硬碟,品種太少,其他廠商的SAS硬碟多數處在產品內部測試階段。此外周邊的SAS控制器晶片或者一些SAS轉接卡的種類更是不多,多數集中在LSI以及Adaptec公司手中。
b).硬碟價格太貴:
比起同容量的Ultra 320 SCSI硬碟,SAS硬碟要貴了一倍還多。一直居高不下的價格直接影響了使用者的採購數量和渠道的消化數量,而無法形成大批量生產的SAS
硬碟,其成本的壓力又會反過來促使價格無法下降。
如果使用者想要做個簡單的RAID級別,那麼不僅需要購買多塊SAS硬碟,還要購買昂貴的RAID卡,價格基本上和硬碟相當。
c).實際傳輸速度變化不大:
SAS硬碟的介面速度並不代表資料傳輸速度,受到硬碟機械結構限制,現在SAS硬碟的機械結構和SCSI硬碟幾乎一樣。目前資料傳輸的瓶頸集中在由硬碟內部機械機構、硬碟儲存技術、磁碟轉速,所決定的硬碟內部資料傳輸速度,也就是80MBsec左右,SAS硬碟的效能提升不明顯。
d).使用者追求成熟、穩定的產品:
從現在已經推出的產品來看,SAS硬碟更多的被應用在高階4路伺服器上,而4路以上伺服器使用者並非一味追求高速度的硬碟介面技術,最吸引他們的應該是成熟、穩定的硬體產品,雖然SAS介面伺服器和SCSI介面產品在速度、穩定性上差不多,但目前的技術和產品都還不夠成熟。
不過隨著英特爾等主機板晶片組製造商、希捷等硬碟製造商以及眾多的伺服器製造商的大力推動,SAS的相關產品技術會逐步成熟,價格也會逐步滑落,早晚都會成為伺服器硬碟的主流介面。
六、FC
光纖通道的英文拼寫是Fiber Channel,和SCIS介面一樣光纖通道最初也不是為硬碟設計開發的介面技術,是專門為網路系統設計的,但隨著儲存系統對速度的需求,才逐漸應用到硬碟系統中。光纖通道硬碟是為提高多硬碟儲存系統的速度和靈活性才開發的,它的出現大大提高了多硬碟系統的通訊速度。光纖通道的主要特性有:熱插拔性、高速頻寬、遠端連線、連線裝置數量大等。
光纖通道是為在像伺服器這樣的多硬碟系統環境而設計,能滿足高階工作站、伺服器、海量儲存子網路、外設間通過集線器、交換機和點對點連線進行雙向、序列資料通訊等系統對高資料傳輸率的要求。
七、SSD
固態硬碟(Solid State Disk或Solid State Drive),也稱作電子硬碟或者固態電子盤,是由控制單元和固態儲存單元(DRAM或FLASH晶片)組成的硬碟。固態硬碟的介面規範和定義、功能及使用方法上與普通硬碟的相同,在產品外形和尺寸上也與普通硬碟一致。由於固態硬碟沒有普通硬碟的旋轉介質,因而抗震性極佳。其晶片的工作溫度範圍很寬(-40~85℃)。目前廣泛應用於軍事、車載、工控、視訊監控、網路監控、網路終端、電力、醫療、航空等、導航裝置等領域。目前由於成本較高,正在逐漸普及到DIY市場。
由於固態硬碟技術與傳統硬碟技術不同,所以產生了不少新興的儲存器廠商。廠商只需購買NAND儲存器,再配合適當的控制晶片,就可以製造固態硬碟了。新一代的固態硬碟普遍採用SATA-2介面。
固態硬碟的儲存介質分為兩種,一種是採用快閃記憶體(FLASH晶片)作為儲存介質,另外一種是採用DRAM作為儲存介質。
(1)基於快閃記憶體的固態硬碟(IDE FLASH DISK、Serial ATA Flash Disk):
採用FLASH晶片作為儲存介質,這也是我們通常所說的SSD。它的外觀可以被製作成多種模樣,例如:筆記本硬碟、微硬碟、儲存卡、優盤等樣式。這種SSD固態硬碟最大的優點就是可以移動,而且資料保護不受電源控制,能適應於各種環境,但是使用年限不高,適合於個人使用者使用。
在基於快閃記憶體的固態硬碟中,儲存單元又分為兩類:SLC(Single Layer Cell單層單元)和MLC(Multi-Level Cell多層單元)。
SLC的特點是成本高、容量小、但是速度快,而MLC的特點是容量大成本低,但是速度慢。MLC的每個單元是2bit的,相對SLC來說整整多了一倍。不過,由於每個MLC儲存單元中存放的資料較多,結構相對複雜,出錯的機率會增加,必須進行錯誤修正,這個動作導致其效能大幅落後於結構簡單的SLC快閃記憶體。此外,SLC快閃記憶體的優點是複寫次數高達100000次,比MLC快閃記憶體高10倍。此外,為了保證MLC的壽命,控制晶片都校驗和智慧磨損平衡技術演算法,使得每個儲存單元的寫入次數可以平均分攤,達到100萬小時故障間隔時間(MTBF)。
(2)基於DRAM的固態硬碟:
採用DRAM作為儲存介質,目前應用範圍較窄。它仿效傳統硬碟的設計、可被絕大部分作業系統的檔案系統工具進行卷設定和管理,並提供工業標準的PCI和FC介面用於連線主機或者伺服器。應用方式可分為SSD硬碟和SSD硬碟陣列兩種。它是一種高效能的儲存器,而且使用壽命很長,美中不足的是需要獨立電源來保護資料安全。