计算机硬件接口与软件端口详述(一)

计算机硬件接口与软件端口详述（一）

计算机硬件接口与软件端口是学习计算机需要了解的基本内容，本文分二个专题分别对计算机硬件接口和软件端口进行详细介绍。

第一专题 计算机硬件接口

一、硬件接口的基本概念

硬件接口是指不同硬件设备之间的连接方式，既包括物理接口（如插头、插座），也包括逻辑上的数据传输协议。它们允许数据、控制信号和电源在设备间传输，是任何电子系统正常运作的必要条件，是不同硬件组件之间进行物理连接、数据交换和通信的标准化规范与物理形态。它定义了连接的物理形状、尺寸、引脚排列、电气信号、数据协议和通信规则，确保设备能够正确协同工作。主要作用包括物理连接、数据传输和电力供应。

二、计算机常见接口

（一）硬盘接口

1.IDE接口

IDE接口硬盘

主板IDE接口

IDE 连接线

IDE接口，也称为ATA接口或PATA接口，是早期广泛应用于台式机和部分服务器的硬盘接口技术。IDE接口的全称是Integrated Drive Electronics，其特点是将硬盘控制器集成到硬盘本体中，从而简化了硬盘与主板之间的连接。IDE接口采用并行传输方式，使用16位数据总线，每次传输两个字节。其数据传输速率在早期版本中较低，例如ATA-1的理论带宽仅为1Gbps。随着技术的演进，ATA接口推出了多个版本，最高支持到ATA-7（ATA 133），理论带宽可达133MB/s。

IDE接口的典型特征：三部分组成，电源接口、跳线接口（用于区分主盘和从盘）、数据接口。数据线较宽，通常为40针排线。不支持热插拔：硬盘在运行时无法插拔。传输距离有限：数据线长度较短，通常不超过46厘米。

优点：IDE接口硬盘以其价格低廉、稳定性高和标准化程度高的特点，曾在中低端市场占据主导地位。

缺点：传输速率受限，并行传输方式容易受到信号干扰，限制了传输速度的进一步提升。由于IDE接口技术老旧，现代主板已不再支持IDE接口。线缆复杂：宽大的数据线占用空间，影响机箱内部的散热和布线。

IDE接口由于数据传输速度慢、不支持热插拔等原因，IDE接口硬盘已被更先进的SATA接口和SAS接口取代。现代硬盘接口技术（如SATA、M.2、PCIe）在传输速率、兼容性和使用便捷性方面有了显著提升。

2.SATA接口

SATA接口硬盘

主板SATA接口

SATA数据线和电源线

SATA（Serial ATA）（Serial Advanced Technology Attachment）亦称串行ATA, SATA以它串行的数据发送方式得名。SATA数据接口（7针）电源接口（15针）。在数据传输的过程中，数据线和信号线独立使用，并且传输的时钟频率保持独立，同以往的PATA相比，SATA的传输速率可以达到并行的30倍。可以说:SATA技术并不是简单意义上的PATA技术的改进，而是一种全新的总线架构。

SATA有SATA1、SATA2、SATA3三代，传输速度分为为1.5G、3G、6G。

3.mSATA接口

mSATA接口是早期为了适应于超极本这类超薄设备而基于SATA开发的。可以看作SATA接口的mini版。

物理形态上有两种尺寸：全高（30mm50mm）和半高（30mm25mm）。mSATA接口是SSD小型化的一个重要过程。不过mSATA并没有摆脱SATA接口的一些缺陷，比如依然是SATA通道，速度也还是6Gbps。

4.SCSI接口

SCSI(Small Computer System Interface)是一种专门为小型计算机系统设计的存储单元接口模式，可以对计算机中的多个设备进行动态分工操作，对于系统同时要求的多个任务可以灵活机动的适当分配，动态完成。

由于SCSI具有CPU占用率低，多任务并发操作效率高，连接设备多，连接距离长等优点，对于大多数的服务器应用。

SCSI连接器分为内置和外置两种。内置数据线的外型和IDE数据线一样，只是针数和规格稍有差别，主要用于连接光驱和硬盘，SCSI内置分为50针、68针和80针。以下是三种SCSI硬盘接口和连接线接口图片。

（1）80针SCSI接口硬盘

80针SCSI接口硬盘含电源线

（2）68针SCSI接口硬盘

（3）50针SCSI接口硬盘

目前SCSI硬盘接口有三种，分别是50针、68针和80针。我们常见到硬盘型号上标有“N”“W”“SCA”，就是表示接口针数的。N即窄口（Narrow），50针；W即宽口（Wide），68针；SCA即单接头（Single Connector Attachment），80针。其中80针的SCSI盘一般支持热插拔。

（4）SCSI硬盘连接线

50针SCSI连接线

68针SCSI接口连接线

68针SCSI接口连接线

SCSI接口

80针的接口中是包含硬盘的电源线的，由于SCSI硬盘对电源要求较高，比较耗电，如果直接用80针的线连接SCSI硬盘到阵列卡上，容易出现供电不足损坏硬盘的现象，所以一般情况下，80针的硬盘是直接接的，没有类似50针和68针的SCSI数据线。同时，把80针转为50针或68针的时候，需要另外加电源供电

SCSI80转50转换卡

SCSI规格公用的几个标准术语解释：

Single Ended（单终结）：许多旧式设备都是单终结设备，它们限制于SCSI-1协议的6米长度。

Differential（分差动）：SCSI总线和设备可借助它来沿长传输的距离，附加线的最大长度为25米。缺点是与单终结设备不兼容。

Fast SCSI：把第一代SCSI总线的速度从5MHz提高至10MHz，理论数据传输率也加倍到10MB/秒。

Ultra SCSI：把第一代SCSI总线的速度从5MHz提高至20MHz，理论数据传输率也加倍到20MB/秒。

Wide SCSI：它依靠第二条数据电缆或68针数据线来增加总线的性能，数据位宽为16或32 bits，把传统SCSI的性能提升至2倍或4倍。

Wide Ultra SCSI：利用68针数据线把总线性能提高到40MB/秒。

SCSI规范发展到今天，共经历了六代。

1.SCSI（8bit）：1986 年，ANSI 采用了初始版本 SCSI8 位版本，传输速度为 5 MBps，允许使用最大长度达 6 米的电缆连接多达 8 个设备。

２.Wide SCSI（8bit）

３.Ultra Wide SCSI（8bit/16bit）

４.Ultra Wide SCSI 2（16bit）：SCSI-2 或更高版本能够支持最多七个外围设备，包括 CD-ROM，硬盘驱动器和扫描仪。这些外围设备可以连接到系统总线上的单个 SCSI 端口。

５.Ultra 160 SCSI（16bit）

６.Ultra 320 SCSI：最新的 SCSI 版本是 16 位 Ultra-640（Fast-320）。此版本自 2003 年开始提供，传输速度为 640 Mbps。它允许使用最大长度达 12 米的电缆连接多达 16 个设备。

5.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的连接器在形状上与 SATA 类似，同样分为供电（15 针脚）和数据传输（7 针脚）两部分，但与 SATA 不同的是，SAS 连接器的电源和数据线的是一个整体，并不像 SATA 那样分开。

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。

与传统并行SCSI接口比较起来，SAS不仅在接口速度上得到显著提升(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 硬盘广泛应用于企业级应用和全天候服务器。根据 Diffen 网站的数据，SAS 硬盘在 45°C 下的平均故障间隔时间为 120 万至 160 万小时，而 SATA 硬盘在 25°C 下则为 70 万至 120 万小时。

SAS 硬盘的能耗较高，因此在服务器中通常使用 SAS 硬盘来加载操作系统，而将 SATA 硬盘用作数据存储。这种做法之所以常见，是因为 SAS 硬盘更专注于传输速度而非存储容量。

6.PCI-E接口

一般情况下，当我们进行数据操作时，数据会先从硬盘读取到内存，再将数据提取至CPU内部进行计算，计算后写入内存，存储至硬盘中。而PCI-E就不一样了，数据直接通过总线与CPU直连，省去了内存调用硬盘的过程，传输效率与速度都成倍提升。目前PCI-E接口通道有PCI-E 2.0 x2及PCI-E 3.0 x4两种，最大速度达到32Gbps。虽然PCIE硬盘速度快，但是早期PCI-E硬盘不能做启动盘。

7.U.2接口

U.2接口使用SFF-8639连接器，这种连接器可以在PCIe SSD中支持1个SATA端口、2个SAS端口或多达4个并行I/O通道。SFF-8639连接器支持高速的数据传输，使得U.2 SSD能够满足高性能存储需求。此外，U.2接口还具有向后兼容HDD的优势，服务器和存储制造商能够使用2.5英寸或3.5英寸HDD和基于PCIe、SAS和SATA的U.2 SSD的组合来配置企业系统。

U.2接口支持热插拔功能，这意味着可以在不关闭系统电源的情况下添加、移除或更换SSD。这一特性提高了系统的灵活性和可用性。此外，U.2 SSD的兼容性也很强，可以与多种类型的系统和主板配合使用。

8.M.2接口

M.2接口也叫NGFF，，英文全称Next Generation Form Factor，是Intel推出的一种替代MSATA新的接口规范。由于速度更快，体积更小，现在大部分笔记本电脑里都是采用这种硬盘。M.2 固态硬盘的两种类型：SATA 和 NVMe，一般来说NVME协议的采用M key或B&M key，SATA协议采用B key或B&M key，所以B&M key通用性更强，所以在购买M.2硬盘时如果遇到这种接口，要看清楚硬盘支持的协议和电脑接口支持的协议是否对应。SATA通道由于理论带宽的限制（6Gb/s），极限传输速度也只能到600MB/s。NVME协议的理论带宽为10Gbps，传输速度最大可达2000MB/s

M.2固态硬盘总共有3种接口：B key（左边缺口6个金手指），M key（右边缺口5个金手指），B&M key（左右各两个缺口）。现在市面上B key的产品已经比较少见了，大部分都采用B&M key接口了，因为这种接口通用电脑硬盘插槽上的B key/M key两种接口。

M.2 SSD 共有多种规格尺寸，常见的是42mm*22mm，60mm*22mm，80mm*22mm。其实也就是我们平时看到的硬盘上2242,2260,2280这个数字对应的意义。不同的长度可以容纳不同数量的闪存颗粒，因此也就可以达到不同的容量上限。

m.2接口有两种类型：Socket2（B key——ngff协议），Socket3（M Key——nvme协议）。其中Socket2支持SATA、PCI-E*2接口，最大速率可达到700MB/s，写入也能达到550MB/s。而Socket3可支持PCI-E *4接口，理论带宽可达4GB/s。上图中左1左2都支持NVMe协议，而右一则只支持SATA协议。因此，选购或者更新M.2 SSD的时候需要特别注意接口类型、支持协议、支持主板。

9.光纤通道

光纤硬盘（Fiber optic disk）是一种采用光纤通道接口（FC）的存储设备，旨在提高多硬盘存储系统的速度与灵活性，主要应用于高端服务器和存储阵列系统光纤通道的主要特性有：热插拔性、高速带宽、远程连接、连接设备数量大等。

（本期介绍硬盘接口，计算机其他硬件接口待续……）