Transport Buses, Tranfer Protocals and Physical Interfaces

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  • Transport Buses
  • Transfer Protocals
  • Physical Interfaces

前面说过, OS通过调用Driver来处理外部设备. 而外部设备的连接是通过暴露自身物理接口, 通过总线, 按相应的数据传输协议连接到计算机的. 不同的数据传输协议就对应着不同的driver.

本文介绍常见的总线, 数据传输协议和物理接口.

注意, 总线, 数据传输协议和物理接口之间可能存在同名的对应.

例如:

  • SATA是总线标准, 也是物理接口标准.
  • USB是总线标准, 也是传输协议标准. 但USB不是物理接口标准;

Transport Buses

ref: 讲总线的文章

总线就是物理上的一根线(cable).

有很多种类型的总线.

  • 存储领域的总线有: ATA/SATA/PCIe/SCSI/SAS/FC. 它们都对应同名的Physical Interfaces, 比如SATA接口, PCIe接口, SCSI接口.

    • 例如: SATA总线的版本也对应着SATA接口的版本.

  • 此外, 还有其他用途的总线, 例如我们很熟悉的USB和Thunder bolt.

注意, 有些人用"通道"来指总线

ATA

  • AT A（AT Attachment）：总的来说，ATA是一个总线技术，它并行传输数据, 总线位宽为 16bits. 因此ATA也称为PATA(Parallel ATA, 并行ATA )
    • In case you are curious what AT stands for, this was IBM’s second generation "Personal Computer Advanced Technology" built around the then-extremely-potent 6-MHz 80286 processor that the company introduced in 1984.
  • ATA对应的物理接口就是ATA( or PATA )， 现在都没人用了

SATA

https://www.techtarget.com/searchstorage/definition/Serial-ATA

SATA cable

  • SATA ( Serial ATA, 串行ATA )对PATA进行了改进， 故名思义就是使用了串行, 规避了并行总线在高速下的串扰和同步问题

    • 在2000 年发明

  • SATA 只有 4 根线, 分别为：发送数据线, 接收数据线, 电源线, 地线.

SATA Types

SATA 有三个版本, 对应物理接口也有三个版本:

  • SATA: 正式名稱爲SATA 1.5Gb/s, 是第一代SATA接口. 有效带宽为 150MB/s, 数据速率为 1.5Gbps( 传输的数据经过了8B/10B 变换, 150MB/s*10=1.5Gbps) .

  • SATA II: 正式名稱爲SATA 3Gb/s, 是第二代SATA接口. 有效带宽为 300MB/s , 数据速率为 3Gbps.

  • SATA III: 正式名稱爲SATA 6Gb/s, 是第三代SATA接口, 有效带宽为 600MB/s , 数据速率为 6Gbps.

  • SATA配套的传输协议是AHCI. SATA和AHCI是HDD时代的产物, ATA总线的传输速率上限也就是几百MB, 所以SATA + AHCI在HDD时代是够用的, 虽然目前主流SSD依然支持它们, 但已经不够用了.

  • SATA II向后兼容SATA I. SATA III向后兼容SATA I和SATA II. 但是, 由于低版本接口的数据传输率的限制, 使用低版本的接口时数据传输率也会降低.

    • 例子: 闪迪至尊极速固态硬盘支持SATA 6Gb/s接口并且当连接到SATA 6Gb/s 接口时，顺序读速度和写速度分别能达到550/520MB/s。但是，当连接到SATA 3 Gb/s 接口时，顺序读速度和顺序写速度则分别能达到285/275MB/s

PCIe

PCIe cable
  • PCIe( Peripheral Component Interconnect Express ): 是一个比SATA快好几倍的总线, 2004年发明.
    • PCIe是PCI的后继, 而PCI总线取代了更古老的ISA (Industry Standard Architecture)总线
      • 2004年PCIe刚发明时，流行shared bus architecture，许多设备用一条线传输数据，需要一个arbiter来调度
    • PCIe可以连接各种设备, 包括显卡、SSD（需要M.2接口或者PCIe接口）、无线网卡、有线网卡、声卡、视频采集卡、PCIe转接M.2接口、PCIe转接USB接口、PCIe转接Tpye-C接口
    • PCI使用parallel bus architecture，即将每个数据字分多条线传输。 比如32-bit数据需要32根并行的线
    • PCIe使用serial bus architecture，把数据包装成一个message， 点对点传输（一次连接称为一个lane）。
    • PICe也支持并行传输，按lane( 通道 )的个数可分为 x1 x2 x4 x8 x16 x32（最大可支持32个通道）
      • 如果PCI e x1接口的网卡插x16的插槽， 只占用一条lane
    • 微星的B450主板支持的就是PCI-E 3.0, B550支持PCI-E 4.0
    • 现在的PCIe 5.0 已经支持132GB/s 了
    • PCIe是NVMe协议最常使用的总线.

PCIePerformance

PCIe Performance
PCIe Link Performance

PCIe vs PCI

PCIe 与 PCI 的区别:

category speed transport model hardware
PCI PCI的工作频率分为33MHz和66MHz，最大吞吐率 266MB/s PCI 是并行数据传输，一次传输4字节/8字节，半双工 传输PCI信号的是普通电平
PCIe PCIe 1.0 x1 的吞吐率就达到了250MB/s PCIe是串行数据传输，全双工. 而且是点对点传输(当然也可以并行) 传输PCIe信号的是差分电平

SCSI

  • SCSI( Small Computer System Interfae, 小型计算机系统专用接口 ) : 一种连接主机和外围设备的接口，支持包括硬盘、光驱及扫描仪在内的多种设备。SCSI 总线是一种并行总线，其优点是适应面广，性能高；缺点是价格昂贵，安装复杂

SAS

  • SAS( Serial Attached SCSI, 串行连接SCSI) : 串行化的SCSI. 和SATA总线类似, 都采用串行技术以获得更高的传输速度. 一般用于企业级硬盘

  • 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

FC

  • FC: 用于光纤

USB

常见的USB logo:

USB logo

USB logo on devices:

USB logo on devices
  • USB (Universal Serial Bus, 通用串行总线) : 用于连接计算机的外部设备, 它们的I/O通常很慢
  • 此外, USB还对应着同名的传输协议( USB ).
  • USB是总线标准和传输协议标准, 但不是物理接口标准. 因此不存在“USB物理接口”.

Thunderbolt

Thunderbolt-4 logo on cable:

Thunderbolt-4 logo on cable
  • Thunderbolt(雷电总线): 由Intel研发, 用于取代电脑上奇奇怪怪的各种总线( SCSI, SATA, USB, PCIe ... ). 如果协议能推广, 以后电脑里只需要一种总线.
    • Macbook 2021拥有3个 Type-C Thunderbolt-4 物理接口.
    • 从雷电3开始, 使用Type-C物理接口.
  • 和USB一样拥有同名的传输协议( Thunder bolt ). 我们说雷电的时候, 既可以指总线也可以指协议, 因为雷电总线好像只支持雷电协议.
  • Thunderbolt是用于取代各种总线, 因此是各种总线的超集. 例如, Thunderbolt是USB的超集, 因此可以在Thunderbolt线上传输USB信号. 由于Thunderbolt 3, 4都使用Type-C接口, USB也常常使用Type-C接口, 因此在生活中, 一根Type-C Thunderbolt线就可以当作Type-C USB线来用.
    • 反过来, Type-C USB线并不能替代Type-C Thunderbolt线.

Transfer Protocals

有了总线和对应的物理接口, 还需要抽象的数据传输协议( 就和计算机网络的协议一样 ), 在软件层面，针对协议来编写驱动，来实现数据I/O.

AHCI

  • AHCI( Serial ATA Advanced Host Controller Interface, 串行ATA高级主控接口/高级主机控制器接 ): 适配SATA和PCIe( 主要是适配SATA ), 是HDD时代的通信标准，速度比较慢

NVMe

  • NVMe( Non-Volatile Memory express, 非易失性内存主机控制器接口规范 ): 适配SATA和PCIe接口. 简而言之NVMe比AHCI快好几倍，是SSD时代的传输协议.
    • NVMe建立在M.2接口上, 且使用PCIe总线.
      • 很多商家把NVMe和PCIe混用. NVMe是协议, 而PCIe是物理上的总线.
    • NVMe1.X只支持SSD, 从2.X开始也支持HDD. 不过现在很少有人用HDD了.

USB

  • 和PCIe协议一样, 没有自己的名字...
  • USB协议目前发展到USB4

Thunder bolt

  • 和USB协议一样, 没有自己的名字... 一般称为雷电协议, 目前发展到雷电4( Thunderbolt™4 )
  • 雷电4相比USB4, 带宽更高, 兼容的传输协议也更多
    • 雷电4适配了PCIe协议和Displayport协议

Physical Interfaces

总线需要连接到主板的物理接口上, 这里的“接口”指的是物理尺寸和形状, 内部的电路逻辑不做讨论.

接口, 总线和协议的关系

SATA Interface

  • SATA接口只能接SATA总线. 这个接口比较悲催，没有自己的名字, 我们用它适配的总线( SATA )称呼它
  • SATA2和SATA3总线对应不同的SATA2接口和SATA3接口

PCIe Interface

  • PCIe接口只能接PCIe总线. 这个接口和SATA接口一样, 也没有自己的名字....

M.2 Interface

  • M.2( 以前叫 NGFF( Next Generation Form Factor )，现在统一叫 M.2 ) 接口: 被设计为支持NVMe协议, 可以接SATA和PCIe总线.
  • M.2接口有两种类型：Socket 2和Socket 3.
    • Socket2( aka SATA M.2 ): 只能接SATA总线, 可以等价于SATA接口.
    • Socket3( aka PCIe M.2): 兼容Socket2, 并且能接PCIe总线.

M.2 Slots

on motherboard:

M.2 slots

M.2 Connector

SSD

on SSD:

SSD with M.2 connector

Wi-Fi Card

Wi-Fi Card with M.2 connector

GPU

GPU with M.2 connector

It seems amazing, but since M.2 can carry PCI Express, you can use a graphics card and connect it to a system. You can find M.2 adapters for full PCI Express 16x cards, where you can connect and use graphics cards.

Type A/B/C

常见的Type A/B/C也是物理接口

Type A/B/C
  • USB总线和雷电3总线一般都用Type C接口
  • 不要把雷电3和Type C混为一谈，前者是总线/传输协议, 后者是物理接口

HDMI

参见Common HDMI Products