【科普】PCIe与M.2接口基础知识

nkc3g4

SSD系列科普目录：


1. NAND闪存芯片内部结构介绍
2. NAND闪存读写原理（上）
3. NAND闪存读写原理（下）
4. NAND闪存接口标准介绍
5. SSD主控硬件架构介绍
6. PCIe与M.2接口基础知识


现在PCIe接口的固态硬盘已经非常普遍了，介绍一些PCIe接口的基础知识。


一、传输速度


PCIe（PCI Express）各代的性能如图（来自维基百科）


Transfer rate per lane指的是每个通道的单向传输速度。 比如PCIe 3.0是8GT/s，就是8Gbit/s。 这个是单向的传输速度，也就是单向读或者单向写的速度。PCIe支持双单工模式（Dual-simplex，也就是全双工模式），两个设备之间，有分开的发送和接受通道，数据可以在两个方向同时传输，同时传输时总的速度就是16GT/s。
Line code这里指的是编码方案。 比如8b/10b，就是每传输10bit数据，只有8bit是有用的数据，有2bit 额外的开销。从PCIe 3.0开始，使用128b/130b，就是每130bit有2bit额外的开销。
Throughput指的是吞吐量，PCIe 每一条通道的吞吐量=传输速率*编码方案，以PCIe 3.0 x1为例，吞吐量可以这样计算
8 * 128/130 = 7.877 Gbit/s = 0.985 GByte/s。
PCIe连接的通道数就类似于高速公路的车道数，各个通道独立传输，常见的有x1, x4, x8, x16，最多可以有x32。


二、硬件电气结构


一般家用台式机主板，都会有PCIe x16的接口，如图PCI_E1，左侧较短的部分是供电部分，右侧长的部分是16条数据通道。 图中PCI_E2 是一条PCIe x1接口，供电部分相同，数据通道只有x16的约1/16 的长度。








从电气接口上看，每个PCIe信号通道需要4条线，以0通道为例，分别是：
PETp0与PETn0：通道0发送器差分线对。
PERp0与PERn0：通道0接收器差分线对。
（差分线对：用两条平行的、等长的走线传输相位差180度的同一信号，也就是一根线传输正信号，一根线传输负信号，有更好的抗干扰性能）
PCIe引脚有两面，A面B面，两面引脚定义不同。
在主板上，A端靠近CPU。
在显卡等PCIe卡上，有核心和散热器的是B面，背面是A面。


  



完整引脚定义如下图：



三、PCIe的频率


PCIe每一代升级，速度提高的根本原因就是总线频率的提高。
PCIe 3.0最高传输速度8Gbit/s， 需要的总线频率是4GHz（每个上升沿和下降沿都传输数据）。PCIe 4.0的速度提升至了16Gbit/s，总线频率也翻一倍，达到8GHz。
更高的频率对控制器的设计有更高的要求，有更高的成本。


四、相比与SATA SSD，PCIe的SSD为什么更快


从工作模式上说，PCIe是全双工模式，且有多条通道。
SATA只有一条通道，而且是半双工模式，也就是在发送数据的同时，不能接收数据。
从频率上说，SATA3的传输速率是6Gbit/s ，总线频率3GHz，低于PCIe 3.0
另外还有协议上的区别，以后再介绍。




五、M.2接口


大多数固态硬盘不直接使用PCIe接口，而是使用更小巧的M.2 接口。

M.2 原名NGFF，2013年重命名为M.2，是扩展卡及相关连接器的外观尺寸与针脚的电气接口规范。
M.2并不是只能支持PCIe，还可以支持SATA、USB等。
M.2有很多种不同的形式，使用不同的防呆缺口来区分，如下图（来自维基百科）





在固态硬盘上，常见的有Key B和 Key M，无线网卡一般会使用Key E或Key A。



Key B和Key M从定义上来看，都支持PCIe协议， Key B只能支持两条PCIe 通道，Key M可以支持四条，同时兼容B和M的也只能使用两条通道。
Key B和Key M从定义上来看，也都支持SATA协议。
但是为了方便区分，一般SATA协议的SSD，会有Key B、Key M两个缺口，而PCIe的SSD，只有Key M一个缺口。 目前大多数的主板上，使用Key M的接口作为M.2 SSD插槽。
无线网卡使用Key E，是因为自带的蓝牙功能，需要使用USB协议。

六、M.2 Key M引脚定义



Key M同时支持PCIe 与SATA协议的固态硬盘， 图中47、49、43、41 引脚是SATA数据引脚，与PCIe第一通道复用。
通过69号PEDET引脚的电平高低，可以区分此SSD是SATA还是PCIe，PEDET 低电平表示 SATA，高电平表示PCIe。




PCIe和NVMe协议的东西留到以后再介绍。

jyssysz

认真学习了，这个非常需要。

新空气

了解了解没坏处，硬盘接口多了看起来头大，现在一般有一个M.2和一个SATA盘组合刚刚好

龍在天涯

新空气 发表于 2022-3-27 12:02
了解了解没坏处，硬盘接口多了看起来头大，现在一般有一个M.2和一个SATA盘组合刚刚好 ...

我这台电脑是m.2+ssd+机械盘(#^.^#)

ZhanBE

顶！
话说我查了一下我们家电脑的硬盘
英特尔660P
我吐血了

wtgahz

妥妥滴干货了，知识储备又增加了

OOO

增加常识，感谢坛主科普

841020672

学习一下，谢谢分享