【科普】PCIe与M.2接口基础知识

nkc3g4

[size=16px]SSD系列科普目录：[/size]
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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
[size=14px]6. [/size]PCIe与M.2接口基础知识
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[size=14px]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。[/size]
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一、传输速度
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[size=14px]PCIe（PCI Express）[/size]各代的性能如图（来自维基百科）
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[size=14px]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。[/size]
[size=14px]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。[/size]
[size=14px]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[/size]
[size=14px]8 * 128/130 = 7.877 Gbit/s = 0.985 GByte/s。[/size]
[size=14px]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。[/size]


二、硬件电气结构
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[size=14px]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。[/size]
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[size=14px]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：[/size]
[size=14px]PETp0与PETn0：通道0发送器差分线对。[/size]
[size=14px]PERp0与PERn0：通道0接收器差分线对。[/size]
[size=14px]（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）[/size]
[size=14px]PCIe引脚有两面，A面B面，两面引脚定义不同。[/size]
[size=14px]在主板上，A端靠近CPU。[/size]
[size=14px]在显卡等PCIe卡上，有核心和散热器的是B面，背面是A面。[/size]


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[size=14px]完整引脚定义如下图：[/size]
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三、PCIe的频率
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[size=14px]PCIe每一代升级，速度提高的根本原因就是总线频率的提高。[/size]
[size=14px]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。[/size]
[size=14px]更高的频率对控制器的设计有更高的要求，有更高的成本。[/size]
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四、相比与SATA SSD，PCIe的SSD为什么更快
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[size=14px]从工作模式上说，PCIe是全双工模式，且有多条通道。[/size]
[size=14px]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。[/size]
[size=14px]从频率上说，SATA3的传输速率是6Gbit/s ，总线频率3GHz，低于PCIe 3.0[/size]
[size=14px]另外还有协议上的区别，以后再介绍。[/size]
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五、M.2接口
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[size=14px]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。[/size]
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[size=14px]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。[/size]
[size=14px]M.2并不是只能支持PCIe，还可以支持SATA、USB等。[/size]
[size=14px]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）[/size]
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[size=14px]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。[/size]

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[size=14px]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。[/size]
[size=14px]Key B和Key M从定义上来看，也都支持SATA协议。[/size]
[size=14px]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。[/size]
[size=14px]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。[/size]

六、M.2 Key M引脚定义

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[size=14px]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。 [/size]
[size=14px]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。[/size]
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[size=14px]PCIe和NVMe协议的东西留到以后再介绍。[/size]

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