硬盘标准科普：SATA、PCIe、AHCI、NVMe [复制链接]

IT 界总喜欢发明新名词。而且同一个东西，可能有几个不同的名字。同一个名字，又可能指不同的东西。存贮设备，近年有许多新发展，因此新名词也层出不穷，造成不少混乱。
这里班门弄斧整理一下，如有错误，欢迎指正。由于篇幅的关系，太旧的标准就不讨论了，如 IDE、PATA 等。这里主要讨论 SATA、PCIe、AHCI 和 NVMe。（关于 NGFF/M.2，那是物理尺寸标准）。

SATA 和 PCIe 大家应该比较熟悉。这两个都是总线标准。它们是并列发展的关系，并不是谁取代谁的关系。

SATA 由 IDE/ATA 标准发展而来，主要用途是把存贮设备（硬盘）连接到主机（主板）。SATA 经历了如下版本：
SATA revision 1.0 (1.5 Gbit/s, 150 MB/s)
SATA revision 2.0 (3 Gbit/s, 300 MB/s)
SATA revision 3.0 (6 Gbit/s, 600 MB/s)
SATA revision 3.1
SATA revision 3.2 (16 Gbit/s, 1969 MB/s)

在 IT 界，有一样很重要的东西叫“向下兼容”。SATA 在发展的过程中，也要考虑“向下兼容”因素。譬如，主板上 SATA-3 的接口，可以连接 SATA-2 的硬盘。向下兼容是为了保护用户已有的投资。但在另一方面，也造成很多掣肘，以致发展缓慢。

出于向下兼容的考虑，SATA 可以工作在两种模式：传统模式和 AHCI 模式。传统模式是为了兼容以前的 IDE/PATA。AHCI 模式则比较新，支持 SATA 独有的功能，如热插拔、原生命令队列(NCQ)等。现在基本上所有 SATA 设备都是 AHCI 模式了。(Advanced Host Controller Interface)

大家还记得 Windows 7 时代的 AHCI 问题吧？许多机器的 BIOS 中可以选择传统模式或 AHCI 模式。当时出于兼容性考虑，缺省是传统模式。许多人安装 Windows 7 （最初版）的时候，就是在传统模式下安装的，不需要特殊驱动。如果安装之后，进 BIOS 改成 AHCI 模式，Windows 7 就会蓝屏了，因为没有 AHCI 驱动。如果想在 AHCI 模式下安装，Windows 会找不到硬盘，因为没有驱动。这时候要加第三方驱动。后来 Windows 7 才在安装盘中加入原生 ACHI 驱动程序。历史总是不断重演，现在 Windows 10 和 NVMe 也面对同样的问题（下面会讨论）。

PCIe - Peripheral Component Interconnect Express

PCIe 是另一种总线标准，由 AGP、PCI、PCI-x 发展而来。上了年纪的同学都记得，这些总线的发展，主要的动力是显卡的发展。AGP 就是 Accelerated Graphics Port（加速图像端口）的缩写。由于显卡需要很大的带宽和速度，PCI 总线标准就不断升级来满足要求。当然，除了显卡外，PCI 总线还用于其他的扩展卡，如网卡（包括有线网卡、无线网卡、3G/4G卡等）。

从上面 SATA 的不同版本可以看到，提速是一个主要任务（当然也有其他的改进）。但进入 SSD 时代后，SATA 的改版速度（由于要考虑向下兼容），已经跟不上传输速度的要求了。这时候，业界就考虑采用 PCIe 来连接存贮设备。但在驱动程序层面，仍然采用 AHCI。这是因为 AHCI 已经非常成熟，广泛被各种操作系统（如 Windows、Linux）所采用。



NVMe - Non-Volatile Memory Express

前面说过，AHCI 是为了发挥 SATA 的潜能而设计的，当时算是“高大上”了。但当时仍然是机械硬盘统治市场，因此 AHCI 的设计是基于机械硬盘的特性（旋转式磁性盘片）。虽然 AHCI 也可以用于 SSD，但却不能发挥极致。因为 SSD 更像内存，而不像“盘片”。譬如说，机械硬盘，如果磁头错过了一个扇区，那就得等盘片转一圈回来才能访问。SSD 就不存在这个问题。因此，业界重新设计一个新的 NVMe 协议，希望发挥 SSD 的潜能。下面是 AHCI 和 NVMe 的对比：



注意，NVMe 和 AHCI 一样，是逻辑（或者说软件、驱动程序）上的标准。而 SATA 和 PCIe 则更注重于物理层面（电流、电压、触脚等）。NVMe 比较新，Windows 10 都没有原生驱动，因此安装的时候需要加第三方驱动。这个和当年 Windows 7 / AHCI 类似。