（转）硬盘接口技术详解

一、IDE/ATA

1.1 概述  

IDE即Integrated Drive Electronics，它的本意是指把控制器与盘体集成在一起的硬盘驱动器，我们常说的IDE接口，也叫ATA（Advanced Technology Attachment）接口，现在PC机使用的硬盘大多数都是IDE兼容的，只需用一根电缆将它们与主板或接口卡连起来就可以了。
IDE接口是由Western Digital与COMPAQ Computer两家公司所共同发展出来的接口。因为技术不断改进，新一代Enhanced IDE(加强型IDE，简称为EIDE)最高传输速度可高达100MB／秒(Ultra ATA／100)。
IDE接口有两大优点：易于使用与价格低廉，问世后成为最为普及的磁盘接口。但是随着CPU速度的增快以及应用软件与环境的日趋复杂，IDE的缺点也开始慢慢显现出来。Enhanced IDE就是Western Digital公司针对传统IDE接口的缺点加以改进之后所推出的新接口。Enhanced IDE使用扩充CHS(Cylinder-Head-Sector)或LBA(Logical Block Addressing)寻址的方式，突破528MB的容量限制，可以顺利地使使用容量达到数十GB等级的IDE硬盘。
在PC中，I/O设备，如硬盘驱动，不是直接与系统中央总线连接的（AT总线在AT系统，或PCI总线在之后的系统）。而I/O设备与接口芯片相连，而接口芯片与系统总线连接。
接口芯片组成了I/O设备与系统总线的桥，在系统总线协议（PCI或AT）与I/O设备协议（如IDE或SCSI）之间进行翻译。这使I/O设备可以独立于系统总线协议。
下图展示了PC工作站的基本系统结构，展示了IDE设备与系统余下部分的关系。

1.2 IDE传输模式
IDE硬盘接口的几种传输模式有明显区别。IDE接口硬盘的传输模式，经历过三个不同的技术变化，由PIO(Programmed I／O)模式，DMA(Direct Memory Access)模式，直至现今的Ultra DMA模式(简称UDMA)。
　　PIO(Programmed I／O)模式的最大弊端是耗用极大量的中央处理器资源，在以前还未有DMA模式光驱的时候，光驱都是以PIO模式运行。大家可能还记得，当时用光驱播放VCD光盘，再配以软件解压，就算使用Pentium 166，其流畅度也不理想，这就是处理器被长期大量占用的缘故。以PIO模式运行的IDE接口，数据传输率达3．3MB／秒(PIO mode 0)至16．MB／秒(PIO mode 4)不等。后来随着Fast ATA／DMA模式的出现，IDE接口及装置都开始有了DMA的支持，DMA模式分为Single-Word DMA及Multi - Word DMA两种，跟PIO模式的最大区别是：DMA模式并不用过分依赖CPU的指令而运行，可达到节省处理器运行资源的效果。不过，后来由于Ultra DMA模式的出现和决速普及。这两个模式也只会是昙花一现，不久即被UDMA所取代。Single-Word DMA模式的最高传输率达8．33MB／秒，Multi-Word DMA(Double Word)则可达16．66MB/秒。
　　由于Ultra DMA模式(Ultra ATA制式下所引用的一个标准)的普及，UDMA模式就全以16-bit Multi-Word DMA模式作为基准。UDMA其中一个优点是它除已拥有DMA模式的优点外，更应用了CRC(Cyclic Redundancy Check)技术，加强了资料在传送过程中侦错及除错方面的效能。在最初UATA／33规格制定时，为了保留IDE系统的最高兼容性，所以在硬件的设计上并没做出太大的修改，不仅能完全向下兼容旧式ATA装置，也无需硬件生产商改变接头及讯号联接的设计。自Ultra ATA标准推行以来，其接口便应用了DDR(Double Data Rate )技术将传输的速度提升了一倍，目前已发展到Ultra ATA／100了，其传输速度高达100MB／秒。
　　Ultra DMA/66/100专用的硬盘连接线和一般的40芯连接线有所不同。Quantum在制定Ultra ATA／66的同时，在旧有IDE排线的规格上略作修改。除沿用40芯的IDE接头外，排线更换成80芯，在原有40芯排线的每条线芯之间，都多加一条线来相隔，并将这40条新线跟原先40芯排线之中原有的7条地线相连，把构成Crosstalk现象的电磁波滤走而增加了数据传输的稳定性(在高速的电子讯号传输时，当一大堆带着高频讯号的电线互相靠近一起的时候，讯号线上发出的电磁波便会互相干扰，这就是所谓的“Crosstalk”现象)。Ultra ATA／66／100排线的基本规格是徘线全长不超过18英寸。也就是说要真正发挥Ultra DMA／66的高速传输是需硬盘、排线的配合的，当然如果搭配一般的40芯排线，Ultra DMA／66接口的硬盘依然能够以向下兼容的方式工作，只不过无法使用Ultra DMA／66罢了。
　　硬盘的传输模式进入UltraATA/100的时代。目前，硬盘的传输模式已由最早的PIO Mode 4(传输速率为16．6 MB／秒)进入UltraATA/100的时代。提醒DIY朋友注意，所选购的硬盘不仅要本身支持Ultra
ATA／100，而所选购的主板的芯片组也要支持Ultra ATA／100，这样才能真正达到100MB/秒的传输速度。如果你现在使用的主板不支持Ultra ATA／1OO，只要购买一块i815E的主板或支持Ultra ATA／100的硬盘控制卡就行了。
Serial ATA：（即串行ATA），是英特尔公司在2000年IDF（Intel Developer Forum，英特尔开发者论坛）上发布的将于下一代外设产品中采用的接口类型，就如其名所示，它以连续串行的方式传送资料，在同一时间点内只会有1位数据传输，此做法能减小接口的针脚数目，用四个针就完成了所有的工作（第1针发出、2针接收、3针供电、4针地线）。这样做法能降低电力消耗，减小发热量。目前市面也有了部份支持此接口的硬盘，如公司推出的新款硬盘就支持串行ATA，不过非常少见。

1.3小结
ATA接口优点：
<> 价格低廉
<> 兼容性非常好
ATA接口缺点：
<> 速度慢
<> 只能内置使用
<> 对接口电缆的长度有很严格的限制

二、SCSI

2.1概述
SCSI直译为小型计算机系统专用接口(Small Computer System Interface)是一种连结主机和外围设备的接口，支持包括磁盘驱动器、磁带机、光驱、扫描仪在内的多种设备。它由SCSI控制器进行数据操作，SCSI控制器相当于一块小型CPU，有自己的命令集和缓存。要了解SCSI，必须先了解它的类型，以下是STA（SCSI Trade Association，SCSI同业公会）的标准分类。

2.2 SCSI接口类型
SCSI连接器分为内置和外置两种，内置数据线的外型和IDE数据线一样，只是针数和规格稍有差别，主要用于连接光驱和硬盘。40针IDE线有40根导线，40针ATA66有80根导线，SCSI内置则分为50针、68针和80针。至于SCSI外置数据线，就有以下几种规格，它们的密度均不相同，千万别弄错了。

▲ Apple SCSI，共有25针，分为两排，8位，常用于Mac机和旧式Sun工作站。

▲Centronics，共有50针，分为两排，8位，有点像并行口，它可以连接的设备数目最多。

▲ SCSI-2 ，共有50针，分为两排，8位。

▲ Sun Microsystem的DD-50SA，共有50针，分为三排。

▲ SCSI-3和Wide SCSI-2，共有68针，分为两排，16位。旧式DEC单终结SCSI 使用68针高密接口。

▲ SCA，共有80针，分为两排。

　2.3 SCSI ID
相信许多SCSI用户都有这种经历，插上设备之后，操作系统怎样也不认，后来检查总线，才发现是终结和ID没有设置好。ID（identify）作为SCSI设备在SCSI总线的唯一识别符，绝对不允许重复，可选范围从0到15，SCSI主控制器通常占用id 7，即是说我们可以用在设备上的ID号共有15个。
在SCSI总线中，控制器也算一个设备， 即实际最大可连接设备数目 = 理论最大支持设备数目-1。

2.4 总线终结器
总线终结器能告诉SCSI主控制器整条总线在何处终结，并发出一个反射信号给控制器，必须在两个物理终端作一个终结信号才能使用SCSI总线。常见的错误是把终结设置在ID号最高或最低的地方，而不是设置在物理终端的SCSI设备上。其实，SCSI设备总是以链形来连接的，按顺序就能分辨出哪一个是终结设备。
　　终结的方式有三种：自终结设备、物理总线终结器和自终结电缆。大多数新型SCSI设备都有自终结跳线，只要把非终结设备的自终结跳线设置成OFF即可避免冲突问题；物理总线终结器是一种硬件接头，又分为主动型和被动型两种，主动型使用电压调整器来进行操作，被动型利用总线上的能源信号来操作，被动型比主动型更为精确；自终结电缆可以代替物理总线终结器，也是一种硬件，它的价格非常昂贵，常用于两个主机连接同一个物理设备，如：两个服务器存取同一个物理SCSI硬盘。
　　通过检查SCSI ID和总线终结器，我们可以找出大多数冲突现象的解决方法，这是SCSI设备用户必须重视的一点。

2.5 SCSI规格公用的几个标准术语解释：

2.5.1 SCSI-1：它是最早SCSI，特点是：支持同步和异步SCSI外围设备，支持7台8位的外围设备，使用8位的通道宽度，传输速率为4MB/s，这现在通常是扫描仪在用的。
2.5.2 SCSI-2：类似SCSI-1，但是可以支持同时连接7个装置，传输速率为 10-20MB/s，目前有CD-R、CD-ROM在使用。
2.5.3 Fast SCSI：8位的通道宽度，使用双倍的频率，传输速率为 10MB/s。
2.5.4 Wide SCSI：16位的通道宽度，传输速率为20MB/s。
2.5.5 ULTRA SCSI：8位的通道宽度，传输速率为20MB/s，其允许接口电缆的最大长度为1.5米。
2.5.6 Ultra Wide SCSI：16位的通道宽度，传输速率为40MB/s，其允许接口电缆的最大长度为1.5米。
2.5.7 ULTRA 2 SCSI：8位的通道宽度，其采用了LVD（Low Voltage Differential，低电平微分）传输模式,传输速率为40MB/s，允许接口电缆的最长为12米，大大增加了设备的灵活性，支持同时挂接15个装置。
2.5.8 WIDE ULTRA 2 SCSI：它跟Ultra 2 SCSI差不多，也是采用LVD传输模式，允许最长接口电缆为12米，可同时挂接15个装置，不同于Ultra 2 SCSI，它有16位的通道宽度，因此传输速度为80MB/s。
2.5.9 Ultra 160/m SCSI：支持最高数据传输率为160MB/s。
2.5.10 Ultra320 SCSI：支持最高数据传输达到了320MB/s，是目前最新的SCSI接口类型。
2.5.11 Single Ended（单终结）：许多旧式设备都是单终结设备，它们限制于　SCSI-1协议的6米长度。注意：此距离包括设备内部电缆的距离。
2.5.12 Differential（分差动）：SCSI总线和设备可借助它来沿长传输的距离，附加线的最大长度为25米。缺点是与单终结设备不兼容。
STA术语 最大总线速度MB/秒 总线宽度单位：bit 最大总线长度单位（米） 最大支持设备设备数目
单终结 LVD HVD
SCSI-1 5 8 6 - 25 8
Fast SCSI 10 8 3 - 25 8
Fast Wide SCSI 20 16 3 - 25 16
Ultra SCSI 20 8 1.5 - 25 8
Ultra SCSI 20 8 3 - - 4
Wide Ultra SCSI 40 16 - - 25 16
Wide Ultra SCSI 40 16 1.5 - - 8
Wide Ultra SCSI 40 16 3 - - 4
Ultra2 SCSI 40 8 - 12 25 8
Wide Ultra2 SCSI 80 16 - 12 25 16
Ultra3 SCSI 160 16 - 12 - 16

2.6小结
SCSI接口优点：
<> 适应面广，在一块SCSI控制卡上就可以同时挂接15个设备
<> 高性能（具有很多任务、宽带宽及少CPU占用率等特点）
<> 具有外置和内置两种
SCSI接口缺点：
<> 价格昂贵
<> 安装复杂

三、 Fibre Channel（光纤通道）
　　光纤通道是一种跟SCSI或IDE有很大不同的接口，它很像以太网的转换开头。以前它是专为网络设计得，后来随着存储器对高带宽的需求，慢慢移植到现在的存储系统上来了。光纤通道通常用于连接一个SCSI RAID（或其它一些比较常用的RAID类型），以满足高端工作或服务器对高数据传输率的要求。
　　光纤现在能提供100MBps的实际带宽，而它的理论极限值为1.06GBps。不过现在有一些公司开始推出2.12Gbps 的产品，它支持下一代的光纤通道（即Fibre Channel II）。不过为了能得到更高的数据传输率，市面的光纤产品有时是使用多光纤通道来达到更高的带宽。
　　不像SCSI，光纤通道的配线非常柔韧。如果带有光纤光学电缆(Fiber Optic Cabling)，它支持最长的长度超过了10公里，所以可以说SCSI在接口电缆长度的限制上跟光纤是没法比得，因为SCSI最长接口电缆不得超过12米。
Features Fibre Channel SCSI
Node to Node 100m 20m
Max. Optical Distance 10,000m 12m
Current Speed 200MB/s 160MB/s
Future Speed 400MB/s 320MB/s
Max.Connections 126(loop) 16million(sw) 15
Peripherals Supported All Limited types
Cost Compared to SCSI Higher but decreasing
Serial Connectivity Yes No
Protocol Supported Universal SCSI
ANSI Standard Yes Yes
Dual Ported Operation Yes No

Nomenclature（术语表）
Speed – Media – Distance – Transmitter
Speed: Media:
400 400MB/s200 200MB/s100 100MB/s50 50MB/s25 25MB/s12.5 12.5MB/s SM Single Mode FibreM5 50/125 MultiMode FibreM6 62.5/125 MultiMode FibreMI Miniature Cable - CopperTV Video Cable - CopperTP Twisted Pair - CopperTW Twiax – Copper
Distance: Transmitter:
L Long:>2KMI Intermediate:100m to 200mS Short:<100m LL Long Wave Laser (1300 to 1550ηm)SL Short Wave Laser (780 to 850ηm)SN Short Wave Laser (780 to 850ηm Without Open Fibre Control)Le Long Wave LED (1300 to 1550ηm)EL Electrical

光纤通道优点：
<> 具有很好的升级性
<> 可以用非常长的光纤电缆（带有Fiber Optic Cabling时，光纤长度可以超过10公里）
<> 具有非常宽的带宽（现在一般的光纤都具有1.06GBps，而如果采用多光纤通道可以达到更宽的带宽）
<> 具有很强的通用性
光纤通道缺点：
<> 价格非常昂贵
<> 组建复杂

四、SATA
     使用SATA（Serial ATA）口的硬盘又叫串口硬盘，是未来PC机硬盘的趋势。2001年，由Intel、APT、Dell、IBM、希捷、这几大厂商组成的Serial ATA委员会正式确立了Serial ATA 1.0规范。2002年，虽然串行ATA的相关设备还未正式上市，但Serial ATA委员会已抢先确立了Serial ATA 2.0规范。Serial ATA采用串行连接方式，串行ATA总线使用嵌入式时钟信号，具备了更强的纠错能力，与以往相比其最大的区别在于能对传输指令（不仅仅是数据）进行检查，如果发现错误会自动矫正，这在很大程度上提高了数据传输的可靠性。串行接口还具有结构简单、支持热插拔的优点。

     串口硬盘是一种完全不同于并行ATA的新型硬盘接口类型，由于采用串行方式传输数据而知名。相对于并行ATA来说，就具有非常多的优势。首先，Serial ATA以连续串行的方式传送数据，一次只会传送1位数据。这样能减少SATA接口的针脚数目，使连接电缆数目变少，效率也会更高。实际上，Serial ATA 仅用四支针脚就能完成所有的工作，分别用于连接电缆、连接地线、发送数据和接收数据，同时这样的架构还能降低系统能耗和减小系统复杂性。其次，Serial ATA的起点更高、发展潜力更大，Serial ATA 1.0定义的数据传输率可达150MB/s，这比最快的并行ATA（即ATA/133）所能达到133MB/s的最高数据传输率还高，而在Serial ATA 2.0的数据传输率达到300MB/s，最终SATA将实现600MB/s的最高数据传输率。

SATAII接口   
    

     SATA II是在SATA的基础上发展起来的，其主要特征是外部传输率从SATA的1.5Gbps(150MB/sec)进一步提高到了3Gbps(300MB/sec)，此外还包括NCQ(Native Command Queuing，原生命令队列)、端口多路器(Port Multiplier)、交错启动(Staggered Spin-up)等一系列的技术特征。单纯的外部传输率达到3Gbps并不是真正的SATA II。

     SATA II的关键技术就是3Gbps的外部传输率和NCQ技术。NCQ技术可以对硬盘的指令执行顺序进行优化，避免像传统硬盘那样机械地按照接收指令的先后顺序移动磁头读写硬盘的不同位置，与此相反，它会在接收命令后对其进行排序，排序后的磁头将以高效率的顺序进行寻址，从而避免磁头反复移动带来的损耗，延长硬盘寿命。另外并非所有的SATA硬盘都可以使用NCQ技术，除了硬盘本身要支持 NCQ之外，也要求主板芯片组的SATA控制器支持NCQ。此外，NCQ技术不支持FAT文件系统，只支持NTFS文件系统。

     由于SATA设备市场比较混乱，不少SATA设备提供商在市场宣传中滥用“SATA II”的现象愈演愈烈，例如某些号称“SATA II”的硬盘却仅支持3Gbps而不支持NCQ，而某些只具有1.5Gbps的硬盘却又支持NCQ，所以，由希捷(Seagate)所主导的SATA-IO(Serial ATA International Organization，SATA国际组织，原SATA工作组)又宣布了SATA 2.5规范，收录了原先SATA II所具有的大部分功能——从3Gbps和NCQ到交错启动(Staggered Spin-up)、热插拔(Hot Plug)、端口多路器(Port Multiplier)以及比较新的eSATA(External SATA，外置式SATA接口)等等。

     值得注意的是，部分采用较早的仅支持1.5Gbps的南桥芯片(例如VIA VT8237和NVIDIA nForce2 MCP-R/MCP-Gb)的主板在使用SATA II硬盘时，可能会出现找不到硬盘或蓝屏的情况。不过大部分硬盘厂商都在硬盘上设置了一个速度选择跳线，以便强制选择1.5Gbps或3Gbps的工作模式(少数硬盘厂商则是通过相应的工具软件来设置)，只要把硬盘强制设置为1.5Gbps，SATA II硬盘照样可以在老主板上正常使用。

     SATA硬盘在设置RAID模式时，一般都需要安装主板芯片组厂商所提供的驱动，但也有少数较老的SATA RAID控制器在打了最新补丁的某些版本的Windows XP系统里不需要加载驱动就可以组建RAID。

六、SAS接口   
  
    

     SAS(Serial Attached SCSI)即串行连接SCSI，是新一代的SCSI技术，和现在流行的Serial ATA(SATA)硬盘相同，都是采用串行技术以获得更高的传输速度，并通过缩短连结线改善内部空间等。SAS是并行SCSI接口之后开发出的全新接口。此接口的设计是为了改善存储系统的效能、可用性和扩充性，并且提供与SATA硬盘的兼容性。

     SAS的接口技术可以向下兼容SATA。具体来说，二者的兼容性主要体现在物理层和协议层的兼容。在物理层，SAS接口和SATA接口完全兼容，SATA硬盘可以直接使用在SAS的环境中，从接口标准上而言，SATA是SAS的一个子标准，因此SAS控制器可以直接操控SATA硬盘，但是SAS却不能直接使用在SATA的环境中，因为SATA控制器并不能对SAS硬盘进行控制；在协议层，SAS由3种类型协议组成，根据连接的不同设备使用相应的协议进行数据传输。其中串行SCSI协议(SSP)用于传输SCSI命令；SCSI管理协议(SMP)用于对连接设备的维护和管理；SATA通道协议(STP)用于SAS和SATA之间数据的传输。因此在这3种协议的配合下，SAS可以和SATA以及部分SCSI设备无缝结合。

     SAS系统的背板(Backplane)既可以连接具有双端口、高性能的SAS驱动器，也可以连接高容量、低成本的SATA驱动器。所以SAS驱动器和SATA驱动器可以同时存在于一个存储系统之中。但需要注意的是，SATA系统并不兼容SAS，所以SAS驱动器不能连接到SATA背板上。由于SAS系统的兼容性，使用户能够运用不同接口的硬盘来满足各类应用在容量上或效能上的需求，因此在扩充存储系统时拥有更多的弹性，让存储设备发挥最大的投资效益。

     在系统中，每一个SAS端口可以最多可以连接16256个外部设备，并且SAS采取直接的点到点的串行传输方式，传输的速率高达3Gbps，估计以后会有6Gbps乃至12Gbps的高速接口出现。SAS的接口也做了较大的改进，它同时提供了3.5英寸和2.5英寸的接口，因此能够适合不同服务器环境的需求。SAS依靠SAS扩展器来连接更多的设备，目前的扩展器以12端口居多，不过根据板卡厂商产品研发计划显示，未来会有28、36端口的扩展器引入，来连接SAS设备、主机设备或者其他的SAS扩展器。

     和传统并行SCSI接口比较起来，SAS不仅在接口速度上得到显著提升(现在主流Ultra 320 SCSI速度为320MB/sec，而SAS才刚起步速度就达到300MB/sec，未来会达到600MB/sec甚至更多)，而且由于采用了串行线缆，不仅可以实现更长的连接距离，还能够提高抗干扰能力，并且这种细细的线缆还可以显著改善内部的散热情况。

     SAS目前的不足主要有以下方面：
     1)硬盘、控制芯片种类少：只有希捷、迈拓以及等为数不多的硬盘厂商推出了SAS接口硬盘，品种太少，其他厂商的SAS硬盘多数处在产品内部测试阶段。此外周边的SAS控制器芯片或者一些SAS转接卡的种类更是不多，多数集中在LSI以及Adaptec公司手中。
     2)硬盘价格太贵：比起同容量的Ultra 320 SCSI硬盘，SAS硬盘要贵了一倍还多。一直居高不下的价格直接影响了用户的采购数量和渠道的消化数量，而无法形成大批量生产的SAS 硬盘，其成本的压力又会反过来促使价格无法下降。如果用户想要做个简单的RAID级别，那么不仅需要购买多块SAS硬盘，还要购买昂贵的RAID卡，价格基本上和硬盘相当。
     3)实际传输速度变化不大：SAS硬盘的接口速度并不代表数据传输速度，受到硬盘机械结构限制，现在SAS硬盘的机械结构和SCSI硬盘几乎一样。目前数据传输的瓶颈集中在由硬盘内部机械机构和硬盘存储技术、磁盘转速所决定的硬盘内部数据传输速度，也就是80MBsec左右，SAS硬盘的性能提升不明显。
     4)用户追求成熟、稳定的产品：从现在已经推出的产品来看，SAS硬盘更多的被应用在高端4路服务器上，而4路以上服务器用户并非一味追求高速度的硬盘接口技术，最吸引他们的应该是成熟、稳定的硬件产品，虽然SAS接口服务器和SCSI接口产品在速度、稳定性上差不多，但目前的技术和产品都还不够成熟。

     不过随着英特尔等主板芯片组制造商、希捷等硬盘制造商以及众多的服务器制造商的大力推动，SAS的相关产品技术会逐步成熟，价格也会逐步滑落，早晚都会成为服务器硬盘的主流接口。