在“ SSD简介”系列的
最后一部分中，我们讨论了磁盘外观的历史。 第二部分将介绍与驱动器交互的界面。
处理器和外围设备之间的通信根据称为接口的预定义约定进行。 这些协议控制交互的物理和软件级别。
接口-系统元素之间交互的一组工具，方法和规则。
接口的物理实现会影响以下参数：
- 通信信道带宽；
- 同时连接设备的最大数量；
- 发生的错误数。
磁盘接口建立在
I / O端口上 ，这与内存
I / O相反，并且不占用处理器地址空间。
并行和串行端口
根据数据交换的方式，输入输出端口分为两种：
顾名思义，并行端口一次发送一个由几个位组成的机器字。 并行端口是交换数据的最简单方法，因为它不需要复杂的电路解决方案。 在最简单的情况下，沿其自身的信号线发送机器字的每个位，并使用两条服务信号线进行反馈：
数据就绪 ，
数据已接收 。
乍看之下，并行端口可以完美缩放：更多的信号线-一次传输更多的比特，因此吞吐量更高。 然而，由于信号线数量的增加，它们之间会发生干扰相互作用，从而导致发送消息的失真。
串行端口与并行端口相反。 数据一次发送一次，这减少了信号线的总数，但使I / O控制器复杂化。 发送器控制器一次接收机器字，并且必须一次发送一位，而接收器控制器又必须接收位并以相同顺序存储。
少量的信号线可以增加消息传输的频率，而不会产生干扰。
SCSI
小型计算机系统接口（SCSI）早在1978年就出现了，最初旨在将各种配置文件的设备集成到单个系统中。 SCSI-1规范提供了最多8个设备（以及控制器）的连接，例如：
- 扫描仪
- 磁带机（拖缆）；
- 光盘驱动器；
- 磁盘驱动器和其他设备。
SCSI最初称为Shugart Associates系统接口（SASI），但是标准化委员会将不会批准该公司的名称，而经过一天的头脑风暴，出现了小型计算机系统接口（SCSI）这个名称。 SCSI的“父亲”拉里·鲍彻（Larry Boucher）暗示该缩写的发音为“性感”，但Dal Allan读为“ ssuzzy”。 随后，“ tales”的发音牢固地确立在该标准中。
在SCSI术语中，连接的设备分为两种类型：
启动器向目标设备发送命令，然后目标设备向启动器发送响应。 启动器和目标设备连接到公共SCSI总线，在SCSI-1标准中其吞吐量为5 MB / s。
所使用的公共总线拓扑结构具有许多限制：
- 在总线的末端需要特殊设备-终结器；
- 总线带宽在所有设备之间共享；
- 同时连接设备的最大数量受到限制。
总线上的设备由称为
SCSI目标ID的唯一数字
标识 。 系统中的每个SCSI单元均由至少一个逻辑设备表示，其寻址根据物理设备内的唯一逻辑单元号（LUN）进行。
SCSI中的命令作为命令描述符
块 （CDB）发送，包括操作代码和命令参数。 该标准描述了200多个团队，分为四类：
- 强制性 -必须由设备支持；
- 可选 -可以实施；
- 特定于供应商的 -由特定制造商使用；
- 过时的 -过时的命令。
在许多团队中，只有三个是设备必需的：
- 测试单元准备就绪 -设备准备就绪检查；
- REQUEST SENSE-请求上一个命令的错误代码；
- 查询 -要求设备的主要特性。
在接收和处理命令之后，目标设备向启动器发送描述执行结果的状态码。
SCSI的进一步改进（SCSI-2和Ultra SCSI规范）扩展了使用的命令列表，并将连接的设备数增加到16个，总线上的数据交换速度高达640 MB / s。 由于SCSI是并行接口，因此数据交换频率的增加与最大电缆长度的减少相关，并导致使用不便。
从Ultra-3 SCSI标准开始，已经出现了对“热插拔”的支持-在打开电源时连接设备。
第一个已知的SCSI SSD是1995年发布的M-Systems FFD-350。 磁盘成本高昂，并且不普及。
并行SCSI当前不是流行的磁盘安装接口，但是该命令集仍在USB和SAS接口中大量使用。
ATA / PATA
ATA （高级技术附件）接口，也称为
PATA （并行ATA），由Western Digital于1986年开发。 IDE标准的市场名称（集成驱动器电子产品-“集成在驱动器中的电子产品”）强调了一项重要的创新：驱动器控制器内置在驱动器中，而不是在单独的扩展卡上。
将控制器放置在驱动器内部的决定立即解决了多个问题。 首先，从驱动器到控制器的距离减小了，这对驱动器的特性产生了积极的影响。 其次，内置控制器仅针对特定类型的驱动器“锐化”，因此更便宜。
ATA与SCSI一样，使用并行I / O方法，这会影响所使用的电缆。 要使用IDE接口连接磁盘，需要40芯电缆，也称为回路。 以后的规范使用80芯环路：其中一半以上接地以减少高频干扰。
ATA电缆上有2至4个连接器，其中一个连接到主板，其余连接到驱动器。 当用一个环路连接两个设备时，其中一个必须配置为
Master ，第二个必须配置为
Slave 。 第三台设备只能以只读模式连接。
跳线位置定义了特定设备的角色。 关于设备的术语“主机”和“从机”并不完全正确，因为就控制器而言，所有连接的设备都是从机。
ATA-3的一项特殊创新是引入了
自我监控 ，
分析和报告技术（SMART） 。 五家公司（IBM，Seagate，Quantum，Conner和Western Digital）联手标准化了驱动器健康评估技术。
1998年发布的第四版标准支持固态硬盘。 该版本的标准提供了高达33.3 MB / s的数据交换速率。
该标准对ATA循环提出了严格的要求：
- 环路必须平坦；
- 最大回圈长度18英寸（45.7厘米）。
短而宽的回路不舒服，并且干扰了冷却。 在每个下一版本的标准中，增加传输频率变得越来越困难，而ATA-7从根本上解决了这个问题：并行接口被串行接口取代。 此后，ATA收购了Parallel一词，并被称为PATA，该标准的第七版获得了另一个名称-串行ATA。 SATA版本始于一个。
SATA硬盘
串行ATA（SATA）标准于2003年1月7日引入，通过以下更改解决了其前身的问题：
- 并行端口由串行端口代替；
- 80核宽循环由7核替代；
- 通用总线拓扑已被点对点连接取代。
尽管SATA 1.0标准（SATA / 150，150 MB / s）稍快于ATA-6（UltraDMA / 130，130 MB / s），但向顺序数据交换方法的过渡是“为增加数据交换做准备”速度。
ATA中的16条用于数据传输的信号线已被两对双绞线所代替：一对用于传输，一对用于接收。 SATA连接器的设计使其对于多次重新连接具有更大的弹性，并且SATA 1.0规范使热插拔成为可能。
驱动器上的某些引脚比所有其他引脚短。 这样做是为了支持热插拔。 在替换过程中，设备以预定顺序“丢失”和“找到”线路。
一年多之后的2004年4月，发布了SATA规范的第二版。 SATA 2.0除了可加快3 Gb / s的速度外，还引入了本
机命令队列 （NCQ）技术。 具有NCQ支持的设备能够独立组织接收到的命令的执行顺序，以实现最佳性能。
在接下来的三年中，SATA工作组致力于改善现有规范，Slimline和微型SATA（uSATA）紧凑型连接器出现在2.6版中。 这些连接器是原始SATA连接器的一个小副本，设计用于笔记本电脑中的光盘驱动器和小型磁盘。
尽管第二代SATA的带宽足以容纳硬盘驱动器，但SSD却需要更多。 2009年5月，发布了SATA规范的第三个版本，带宽增加到6 Gb / s。
SATA 3.1版本特别注意了SSD。 添加了Mini-SATA（mSATA）连接器，用于将固态驱动器连接到笔记本电脑。 与Slimline和uSATA不同，新连接器看上去与PCIe Mini相似，尽管它与PCIe不兼容。 除了新的连接器之外，SATA 3.1还具有将TRIM命令与读写命令排队的功能。
TRIM命令将没有负载的数据块通知SSD。 在SATA 3.1之前，执行此命令导致刷新缓存和暂停I / O操作，然后执行TRIM命令。 这种方法会在删除操作期间降低磁盘性能。
SATA规范无法跟上对固态驱动器访问速度的快速提高的步伐，这导致2013年出现了SATA 3.2标准中称为SATA Express的折衷方案。 开发人员没有使用SATA带宽再加倍的方法，而是使用速度超过6 Gb / s的广泛PCIe总线。 启用SATA Express的驱动器已经获得了自己的规格，称为M.2。
SAS
与ATA竞争的SCSI标准也没有停滞不前，在2004年串行ATA出现仅一年之后，它就退化为串行接口。 新接口的名称是
串行连接的SCSI （SAS）。
尽管SAS继承了SCSI指令集，但所做的更改非常重要：
SCSI术语也已被继承。 控制器仍称为启动器，连接的设备为目标。 所有目标设备和启动器均形成SAS域。 在SAS中，连接带宽不取决于域中的设备数量，因为每个设备使用自己的专用通道。
根据该规范，SAS域中同时连接的设备的最大数量超过1.6万，并且使用
全球名称 （WWN）标识符代替SCSI ID进行寻址。
WWN是唯一的标识符，其长度为16个字节，类似于SAS设备的MAC地址。
尽管SAS和SATA连接器之间存在相似之处，但这些标准并不完全兼容。 但是，可以将SATA驱动器连接到SAS连接器，反之则不能。 SATA磁盘和SAS域之间的兼容性是使用SATA隧道协议（STP）提供的。
SAS-1标准的第一个版本具有3 Gb / s的带宽，最先进的SAS-4将这一数字提高了7倍：22.5 Gb / s。
PCIe
外围组件互连Express（PCI Express，PCIe）-用于数据传输的串行接口，于2002年问世。 该开发工作由英特尔（Intel）开始，然后转移到一个特殊组织-PCI Special Interest Group。
串行PCIe接口也不例外，它成为并行PCI的逻辑延续，并行PCI旨在连接扩展卡。
PCI Express与SATA和SAS显着不同。 PCIe接口的线路数可变。 行数等于2的幂，范围是1到16。
PCIe中的“线路”一词并不意味着特定的信号线，而是一个单独的全双工通信通道，由以下信号线组成：
PCIe线路的数量直接影响连接的最大带宽。 现代的PCI Express 4.0标准允许您在单条线上达到1.9 GB / s，而在使用16条线时达到31.5 GB / s。
SSD的“胃口”正在迅速增长。 SATA和SAS都没有时间增加带宽以跟上SSD的步伐，这导致出现了具有PCIe连接的SSD。
尽管已拧紧PCIe附加卡，但PCIe支持热插拔。 短的PRSNT引脚（存在-存在）使您可以确保将卡完全插入插槽中。
通过PCIe连接的SSD受单独
的《非易失性存储器主机控制器接口接口规范》标准规范，并以多种形式体现，但我们将在下一部分中讨论它们。
远程驱动器
创建大型数据仓库时，需要使用协议来连接服务器外部的驱动器。 该领域的第一个解决方案是由IBM和Cisco于1998年开发的
Internet SCSI （iSCSI）。
iSCSI的概念很简单：SCSI命令包装在TCP / IP数据包中并发送到网络。 尽管建立了远程连接，但仍为客户端造成了错觉，即驱动器在本地连接。 可以在现有网络基础架构上构建基于iSCSI的存储区域网络（SAN）。 使用iSCSI可以大大降低组织SAN的成本。
ISCSI具有“高级”选项-
光纤通道协议 （FCP）。 使用FCP的SAN建立在专用的光纤链路上。 这种方法需要附加的光网络设备，但是在稳定性和高吞吐量方面有所不同。
有许多协议可以通过计算机网络发送SCSI命令。 但是，只有一种标准可以解决相反的问题，并允许您在SCSI总线上发送IP数据包-IP-over-SCSI 。
大多数SAN协议使用SCSI命令集来管理驱动器，但是也有例外，例如简单的
以太网ATA （AoE）。 AoE协议在以太网数据包中发送ATA命令，但驱动器在系统中显示为SCSI。
随着NVM Express驱动器的出现，iSCSI和FCP不再能够满足SSD迅速增长的需求。 出现了两种解决方案：
- 卸下服务器外部的PCI Express总线；
- 通过Fabrics协议创建NVMe。
移除PCIe总线与创建复杂的交换设备相关联，但不会更改协议。
NVMe over Fabric已成为iSCSI和FCP的不错替代品。 NVMe-oF使用光纤链路和NVM Express命令集。
DDR-T
iSCSI和NVMe-oF标准解决了将远程驱动器作为本地连接的问题，而英特尔则采用了另一种方法，使本地驱动器尽可能靠近处理器。 选择权在于连接RAM的DIMM插槽上。 DDR4通道的最大带宽为25 GB / s，大大超过了PCIe总线的速度。 这就是英特尔®傲腾™DC永久内存SSD诞生的方式。
为了将驱动器连接到DIMM插槽，发明了
DDR-T协议，它与DDR4物理上和电气上都兼容，但是需要一个特殊的控制器才能看到内存条和驱动器之间的差异。 驱动器的访问速度小于RAM，但大于NVMe。
DDR-T仅适用于Intel®Cascade Lake或更高版本的处理器。
结论
从串行到并行数据传输，几乎所有接口都有很长的路要走。 SSD的速度正在迅速增长，昨天，SSD是一种新颖事物，但如今NVMe不再是令人惊讶的事情。
在我们的Selectel实验室中，您可以自己测试SSD和NVMe驱动器。