硬盘接口详解

硬盘接口详解：

      目前硬盘接口类型不算多，主要有IDE、SCSI、SATA、SAS四种。IDE许多时候以Ultra ATA代替，很多人习惯将Ultra ATA硬盘称为IDE硬盘，但需要说明的是IDE的概念要大于ATA——原则上所有硬盘驱动器集成控制器的设计都属于IDE，SCSI也不例外。当然，以 IDE指代ATA已经形成很大的惯性，SATA开始将IDE与ATA区别开来。成熟廉价的是IDE，最新兴的是SATA，稳定价高的SCSI。最早出现的是IDE接口，后来出现SCSI接口，现在服务器主要用的是SAS接口硬盘,SAS接口称为串行连接SCSI的主要面向服务器。如果仔细观察，你可以发现，最近电脑业界的系统总线都是朝串行发展，硬盘的接口总线SATA是个代表，包括今后的将要顶替AGP接口的图形接口标准PCI-Express，都朝着串行方向发展。

      1. IDE接口

      IDE的英文全称为：Integrated Drive Electronics，是目前最主流的硬盘接口，包括光储类的主要接口。它经过数年的发展变得很成熟、廉价、稳定。IDE接口使用一根40芯或80芯的扁平电缆连接硬盘与主板，每条线最多连接2个IDE设备（硬盘或者光储）。早期的是用IDE多功能卡插在主板上，再连接IDE线，这功能卡已经淘汰；目前主板全部提供2个IDE接口，相比IDE多功能卡，它显得价格便宜和易于安装。IDE接口又分为UDMA/33，UDMA/66，UDMA /100，UDMA/133。1996年底，昆腾和英特尔公司宣布共同开发了Ultra DMA/33的新型EIDE接口，因其数据传输率为33MB/s，故称UDMA/33，后面的UDMA/66，UDMA/100，UDMA/133命名同上。Ultra DMA把时钟脉冲的上升和下降沿均用作选通信号，即每半个时钟周期传输一次数据，这就使得最大外部传输速率从16.6MB/s倍增至33.3MB/s。另外，Ultra DMA采用总线控制方式，在硬盘上有直接内存通道控制器，可大大降低硬盘在读写时对CPU的占用率，可将对CPU的占用率从92％降至52％，这也是 Ultra DMA的一个重要作用。当然，要实现Ultra DMA功能，还需要支持Ultra DMA规格的主板和相应的驱动程序。所有的IDE硬盘接口都使用相同的40针连接器，如下图所示：

      2.SCSI接口

      SCSI英文全称：Small Computer System Interface，它出现的原因主要是因为原来的IDE接口的硬盘转速太慢，传输速率太低，因此高速的SCSI硬盘出现。其实SCSI并不是专为硬盘设计的，实际上它是一种总线型接口。由于独立于系统总线工作，所以它的最大优势在于其系统占用率极低，不过转速快，传输率高的SCSI接口硬盘也有它的不足之处：价格高、安装不便、还需要设置及其安装驱动程序，因此这种接口的硬盘大多用于服务器等高端应用场合。它是使用一根50芯的扁平电缆，转速在万转以上，不过随着IDE技术的发展，如今IDE接口的硬盘在容量和速度上已与SCSI接口硬盘相差无几，不久将来，它可能不会存在了。所有SCSI接口都使用下面3种连接器中的1种，如下图所示：

      3.SATA接口

      SATA的英文全称是：Serial-ATA（串行），IDE系列属于Parallel-ATA（并行），SATA是最近颁布的新标准，具有更快的外部接口传输速度，数据校验措施更为完善，初步的传输速率已经达到了150MB/s，比IDE最高的UDMA/133还高不少。由于改用线路相互之间干扰较小的串行线路进行信号传输，因此相比原来的并行总线，SATA的工作频率得意大大提升。虽然总线位宽较小，但SATA 1.0标准仍可达到150MB/s，未来的SATA 2.0/3.0更可提升到300以至600MB/s。并且S-ATA具有更简洁方便的布局连线方式，在有限的机箱内，更有利于散热，并且简洁的连接方式，使内部电磁干扰降低很多。相信最后存在的是SATA接口，SCSI及IDE接口硬盘今后都会采用SATA接口标准。我们知道SATA接口与IDE硬盘接口不兼容，供电接口方式也不相同，下图是与并行ATA的传输线比较：

      4: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机箱内部的散热情况。

      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、迈拓以及富士通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。

      左边是串行数据传输线，右边是并行数据传输线

      电源的输入接口也与原来的4pin电源不同，需要经过转换。