知识分享---全网最强硬盘知识飞凌一网打尽

全网最强 硬盘知识 飞凌一网打尽

一、硬盘的基本分类

1.机械硬盘,最常见的就是2.5寸,3.5寸盘。以前还有1.8寸的微硬盘,但是已经见不到了,现在最多的就是2.5寸和3.5寸。

小知识点:

机械硬盘顾名思义就是采用磁性碟片来存储数据,以机械结构驱动磁头来读取数据的硬盘。主要由磁盘盘片、磁头、主轴与传动轴等组成,数据就存放在磁盘盘片中。

机械硬盘结构


2.固态硬盘,也就是SSD,通过闪存颗粒来存储数据。固态硬盘因为没有了机械硬盘的物理结构,所以相比机械硬盘具有了低能耗、无噪声、抗震动、低散热、体积小和速度快的优势。从外形上来说有2.5寸形式,也有卡片形式。

小知识点:

固态电子器件是指利用固体内部电子运动变化原理制成的具有一定功能的电子器件,包括晶体管、微处理器 芯片、动态随机存取存储器(DRAM)、闪存颗粒等半导体。

固态硬盘结构

二、3个维度描述硬盘:硬件接口 数据通道 工作模式

1. 硬件接口,也就是硬盘和底板之间的连接器或物理连接方式

a. SATA标准接口,这是在飞凌的底板上最常见的硬盘接口,对于3.5寸的机械硬盘来说还需要12V的供电,所以飞凌在底板设计时如果涉及到标准SATA接口的话一般都会加一个硬盘的专用供电接口。右图是四针供电转SATA硬盘供电线。



飞凌OK5718- C SATA接口及硬盘供电接口 
红线为5V,黑线为GND,黄线为12V
      

             

b. mSATA接口,另一种在 飞凌嵌入式底板上常见的硬盘接口形式。可以将SATA技术整合在小尺寸的装置上,同时提供与SATA标准接口一样的速度和可靠度



某品牌mSATA固态硬盘   
飞凌OK1046-C mSATA接口
                  

                     

小知识点:

mSATA和miniPCIe的区别:这两个接口的硬件形式是一样的,都是54针插座,外观形式是完全相同的。但却是两种完全不同的硬件接口,mSATA硬盘的数据信号需要连接到SATA控制器上,而非PCIe控制器上,二者之间因此不能兼容。如果要实现一个接口同时兼容mSATA与MiniPCIe,则需要使用PCIe/SATA路由芯片来解决。

如何区分mSATA硬盘和miniPCIe硬盘?从外观上是无法区分mSATA硬盘和miniPCIe硬盘的,如果硬要区分的话一般就是2点,一个是miniPCIe硬盘很少见,几乎没有;另一个就是看说明书。。。

如何区分mSATA接口和miniPCIe接口?从外观上也无法区分底板上的连接器到底是mSATA还是miniPCIe或者两者兼容。要区分也是要看说明书。。。

c. M.2接口M.2是一种标准连接器,根据选择的Key接口不同,可以兼容不同的数据通道。



某品牌M.2 M Key SSD NVMe工作模式    
飞凌 OK3399-C M.2 M Key接口PCIeX4

      

飞凌 嵌入式新品OK3399-C底板上的M.2接口就是M Key形态,可以支持PCIeX4,NVMe工作模式的SSD。

小知识点:

M.2规范定义了A到M 12种Key接口:

 

 

市面常见的就是B key和M key,不同Key可以内置的数据信号见上图。其中B key中可以有PCIe X2,SATA3.0,USB2.0,USB3.0这些信号,M Key只有PCIe X4和SATA3.0信号。还有一种B+M Key,这种接口形式其实是为了兼容底板上不同的接口形态,这种接口的设备只能走B Key内的数据协议,也就是满足不了PCIe X4。只有M Key接口的硬盘才能使用PCIeX4的数据通道。



B Key和M Key外观区别  
某品牌M.2接口 5G模组B Key

                      

d. SAS接口,一般都是服务器使用。稳定性和安全性很高,消费级或民用一般用不到,都是大规模数据中心使用。

小知识点:

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 但是SAS硬盘却不能使用在SATA的环境中,因为SATA控制器并不能对SAS硬盘进行控制。



某品牌SAS硬盘   
服务器主板SAS接口

                                 

e. U.2接口 目前在一些新的主板或者服务器上开始出现的新接口,内部也是PCIeX4和SATA通道都有,也支持NVMe协议。要逐步取代SAS/SATA接口。




U.2 接口形态  


  某品牌 数据中心企业级 SSD PCIe X4 NVMe


                

                       

f. miniPCIe接口,这种接口的硬盘很少见。下图是联想出的一个miniPCIe接口的硬盘,其实是在PCB上有一个SATA转PCIe的芯片。这个SSD硬盘已经停产了,早期时对只有miniPCIe接口的笔记本来说是个很好的扩展方式。

                     

黄框:Marvell 88SE9170 PCIe Gen 2x1 / SATA 6Gb I/O双端口控制器


g. PCIe插槽,一般都是PCIeX4 NVMe模式。

               

                                某品牌PCIe SSD                                某品牌主板2*PCIeX16,2*PCIeX4,3*PCIeX1

 

2. 数据通道也就是硬盘和内存或CPU间通过哪种总线进行数据传输。

a. SATA协议:这个是SATA协会公布的技术规范标准,目前最新的是SATA 6Gbps,也就是sata3.0(目前最新版本应该是3.4,速率没有提升,依然是6Gbps,这些小版本变化都是稳定性或者安全性之类的提升)。飞凌嵌入式 核心板所支持最高的版本也是sata3.0。M.2规范中的SATA版本是最低SATA3.1。

b.  PCIe协议:这个是PCI-SIG组织公布的技术规范,目前最新发布版本是6.0。市面上可见的SSD支持的最高版本是PCIe4.0,事实上目前PCIe4.0也刚开始进入市场,5.0的设备还没有。飞凌嵌入式核心板所支持最高的版本是PCIe 3.0。下面是不同版本PCIe的速率对比。

 

小知识点:

关于PCIe Xn:PCIe可以多个通道并行吞吐数据,数据吞吐带宽也会成倍增长,一般单通道叫做X1(X在这本来就是乘的意思),以此类推有X4、X8最高可以16通道同时吞吐数据也就是X16。

PCIe插槽及金手指对比

PCIe插槽中前22针都是供电,隔断后面是数据线,x1设备可以插在x4 x8 x16插槽中,但是只能按x1速率工作,x4设备及x8设备以此类推。反之X16设备遮盖住后面的针脚后就可以工作在x1 x4 x8速率上,x8 x4设备也以此类推。

下图是PCIe4.0和PCIe3.0的SSD的读写速度对比,都是M.2 M key接口(PCIeX4)NVMe工作模式,可见都是PCIeX4和NVMe,但是因PCIe版本不同速度差异也很大。

 

3. 硬盘工作模式

硬盘最早是机械结构构成,包括马达,磁头,盘面等机械部件。要提高读写速率,就要不断的优化内部磁头读写的方式,所以产生了工作模式之分。

a. IDE并口模式,对应老旧的IDE硬盘(ATA或者叫PATA),现在已经没有这种设备。

b. AHCI串口模式,这个是对应SATA硬盘出现后而出现的新的工作模式,相对IDE模式提高了数据读写速度,优化了读写方式,但依然是基于机械硬盘的方式进行优化。

c. NVMe非易失性存储接口规范,这个是专门针对SSD硬盘而出现的工作模式,NVMe模式都是基于PCIeX4通道的数据传输模式,数据读写速度高,是特意为闪存颗粒进行优化的读写模式。是高端SSD所特有的工作模式。

4. 一图流小结

硬盘分类

硬件接口

数据通道

工作模式

传输速率

机械硬盘

SATA

SATA2.0/SATA 3.0

AHCI

3Gbps/6Gbps

SSD

SATA

SATA2.0/SATA 3.0

AHCI

3Gbps/6Gbps

mSATA

SATA2.0/SATA 3.0

AHCI

3Gbps/6Gbps

M.2 B Key      M.2 B+M Key

SATA 3.0

AHCI

6Gbps

M.2 M Key

PCIeX4

NVMe

32GT/s(PCIe 3.0)

U.2

PCIeX4

NVMe

32GT/s(PCIe 3.0)

PCIe插槽

PCIex4

NVMe

32GT/s(PCIe 3.0)

注M.2 M Key接口和U.2接口也支持SATA通道,但是没有这样的设备,SATA相对PCIeX4来说速率太低了。在这些接口中还用SATA模式是种浪费。从京东上来看,直接把M.2硬盘分类成了M.2(NVMe)和M.2(SATA总线)前者都是M Key,后者基本都是B+M Key

三、飞凌嵌入式产品硬盘接口支持情况

核心板

核心板数据通道

底板接口形态

硬盘工作模式

核心板PCIe情况

FETMX6Q-C

1*SATA 2.0

SATA

AHCI

1个PCIe2.0通道

FETMX6Q-S3

1*SATA 2.0

SATA

AHCI

1个PCIe2.0通道

FET1012A-C

1*SATA 3.0

SATA

AHCI

最多1个PCIe2.0通道

FET1043A-C

1*SATA 3.0

mSATA                需修改RCW

AHCI

可配出PCIeX4 2.0

FET1046A-C

1*SATA 3.0

mSATA

AHCI

可配出PCIeX4 3.0

FET5718-C

1*SATA 2.0

SATA

AHCI

2个PCIe3.0通道

FETA40i-C

1*SATA 2.0

SATA

AHCI

无PCIe

FETT3-C

1*SATA 2.0

SATA

AHCI

无PCIe

FET3399-C

1*PCIeX4 2.0

M.2 M Key

NVMe

PCIeX4 2.0

注:具体请联系飞凌嵌入式客服或销售人员

四、本地硬盘测试

下面是笔者以自己的笔记本做的测试,正好这个笔记本有一个SSD和一个机械硬盘可以对比。

左面是SSD,右面是机械硬盘,实际上机械硬盘的测试笔者没做完就结束了,太慢了。从这里也可看出实际上机械硬盘的读取速率是远远低于SATA接口的数据传输速度上限(6Gbps大约700多MB/S)的,但是SSD的读写速度已经接近了SATA数据传输速度的上限,这也是SSD硬盘必须逐渐转到更高速的通信协议和专门基于SSD进行优化的工作模式下的原因。

 

SSD型号:HFS128G39TND海力士M.2 B+M Key 2280 SATA3.0 AHCI模式

机械盘型号:WD10SPZX西部数据5400转128MB缓存SATA3.0 AHCI模式

五、硬盘的未来

自上世纪50年代硬盘被发明以来至今,其自身已经历了无数的进化和演变。但是万变不离其宗,这一切的变化无不是在速度、容量、安全、稳定上做文章。无论是机械硬盘提高转速的做法还是以半导体芯片的高速读取能力的来提升工作效率,硬盘技术都是在持续不断的向更快更强更便捷的方向发展着。

而飞凌嵌入式也是步步紧跟硬盘进化的趋势,从略显老旧的SATA机械硬盘到如今最热火的NVMe SSD硬盘都已纳入了支持的范围。无论以后硬盘技术再如何发展,飞凌嵌入式都仍会保持着自己技术的先进性站在潮流的最前端。

 

相关产品: