SATA Express技术前瞻分析

架构解析——What is SATA Express

首先要说明的是，SATA Express是纯粹基于PCI-E总线的，在其中并没有任何的SATA链路层和传输层，因此在其中不存在任何的传输转接损耗——这就意味着用户可以完整地享受到PCI-E总线的全部性能。大家可以这样理解，有了SATA Express，现在的HDD或SSD就可以像显卡一样直接插在PCI-E插槽上使用。SATA Express将直接使用PCI-E带宽而舍弃现有的SATA总线架构与物理层设计。那么，相对于SATA 6Gb/s，SATAExpress到底做了那些技术与设计上的改变呢？让我们一起来看看。

图4中所示为SATA Express的物理层结构图。从硬件模型图上，我们可以较清楚地看出，所谓的SATA Express，其核心技术就是在主控端通过PCI-E总线，借助特殊的接口设计实现对SATA和PCI-E设备的完全兼容。而要让SATA和PCI-E存储设备能在同一电气环境的平台下完全兼容，在物理层接口的设计选择上就有讲究了。从已有的技术来看，有两种标准可以作为SATA Express设备的的物理层设计规范，其一是AHCI，另外一个则是近来在PCI-ESSD上风风火火的NVM Express(NVMe)。

从图5的路径1中可以看到，对于传统的SATA设备来说，AHCI就好比一个总线适配器(Hosts Bus Adapter，HBA)，而且大多数情况下A HCI控制器内建在主机的芯片中。在这种工作模式下，应用程序首先经由PCI-E或其它系统总线与AHCI HBA会话，再经由SATA链路层与PH Y物理层通道与SATA设备通信。

而对于SATA Express设备来说，其工作模式目前有两种选择，其一是SATA Express/AHCI，另一种则是SATA Express/NVMe。其实这两种工作模式下的设备，你都可以将其视为一个基于PCI-E的插卡式设备。所不同的是，在设备端，其中之一集成的是A HCI控制器，而另一个则集成的是NVMe控制器。

首先来看SATA Express/AHCI模式(图5 路径2)。在这种工作模式下，应用程序首先在主控端通过AHCI驱动与PCI-E总线接口通信，然后经由SATA Express接口以及基于AHCI的物理层(设备端)与SSD等设备进行互动。相比之下，数据在系统主控端依赖的是PCI-E总线，而AHCI控制器则被集成在了终端设备上，此时的终端可被视为一个AHCI设备。显然，这种模式的大好处就在于它在本质上仍是基于AHCI物理堆栈架构的通信方式，因此在驱动上可以和现有的SATA/AHCI设备相关驱动保持完全一致，可以实现对旧设备的完全兼容，大大降低厂商在产品设计研发上的难度。不过这样做的缺陷也同样明显，那就是由于AHCI的物理架构已经比较陈旧，而且AHCI开发之初是为了提升HDD的潜能，并未专为SSD这种高速存储而优化设计，因而尽管有高速PCI-E总线的辅助，它仍然可能无法达到佳的传输性能，在对PCI-E带宽的利用率上也应该无法达到极致。

再来看SATA Express/NVMe模式(图5路径3)。在这种模式下，终端设备中必须集成NVMe控制器，并需要在主控端安装NVMe驱动以顺利实现设备与系统的正常通信工作。在具体的工作方式上，SATA Express/NVMe与SATA Express/A HCI基本类似，唯一的差别在于驱动不同。在主控端的系统中，应用程序是通过专用的NVMe驱动与设备进行通信。由于是全新的架构，N VMe无需像SATA Express/AHCI一样需要考虑与之前的设备之间的兼容性问题，而将精力都放在了如何提升SSD的性能上。因此，SATA Express/NVMe凭借更先进的指令执行效率和专为PCI-E而优化的设计，在性能上要胜过SATA Express/AHCI一筹，可以实现对PCI-E带宽的极限利用，而且用于SSD等存储设备还有更高效的指令执行效率。不过相对来说，它的兼容性就非常差，几乎都需要全新的设计，对于传统SATA设备不可能实现兼容，在驱动方面也需要重新安装，而不能像SATA Express/AHCI设备一样在系统集成驱动支持下即可顺利工作。

目前SATA-IO为SATA Express规划了这两种工作模式，但到底后哪一种会胜出，或者说二者将会在很长一段时间内并存，这恐怕还得取决于SATA-IO终的决定，以及各大厂商的产品设计推广需求了。不过就笔者的观点而言，SATA Express/AHCI模式的优点更胜一筹，关键是对现有SATA设备的兼容性更是其中大的亮点，恐怕在SATA Express的初期乃至中期的话，它应该会占有主导地位。

图5 ：SATA Express硬/软架构及协同工作原理图

图6：借由SATA Express接口，各种形态的设备将被有机整合在一起。

图8：不同颜色的两种SATA Express接口兼容性是不一样

图9：SATA Express的PCI-E数据线都快有IDE数据线的大小了

图7：AHCI与NVMe性能指标对比列表

SATA Express来了，SATA为何还会长期存在？

图10：正是因为SATA Express具有兼容并包的特色，无论是SATA设备还是PCI-E设备，都能在SATA Express上顺利使用。

图11：预计将在2013年中后期发布SATA 3.2标准，其中就有SATA Express。

接口详解——兼容与高速并存

在着手开发SATA Express规范的同时，SATA-IO也同时成立了SATA Express的数据线与插槽设计工作小组。从目前SATA-IO发布的资料来看，在SATA Express上，将可能存在两种规范的接口(图8、图9)。

SATA-IO为SATA Express规划的第一种是基于蓝色调的全兼容接口。这种接口将可以实现对现有SATA设备的完全兼容使用，同时它也可以接纳全新设计的SATA Express PCI-E数据线。该接口在每个端口的电路设计上多出了一个针脚，这是专门用于检测端口插入的是传统SATA数据线，还是全新的SATA Express PCI-E数据线。检测结果将被反馈到系统中，系统再根据检测结果对插入的设备进行定性分析，并调整相应的工作模式。

另一种使用黄色调的SATA Express接口则在蓝色兼容接口的基础上增加了防呆凸点设计，由于这个凸点的存在，因此现有S ATA数据线将无法插入这种类型的SATA Express接口。很明显，SATAIO提出这种设计就是专为SATA Express/NVMe而准备，专门针对追求极速的SSD等设备而作，不考虑兼容性问题。

在接口的类型上，初期的SATA Express将会存在两种规格，分别是SATA Express PCI-Ex1和PCI-Ex2，带宽分别为8Gb/s和16Gb/s。相信大家看到这里就应该能够明白，这是根据接口使用的PCI-E 3.0通道数的不同而做出的区别。而在数据线端，SATA Express也将根据速度的不同而区分为PCI-Ex1数据线和PCI-Ex2数据线。

可以预见的是，对于现在的存储市场而言，占据绝大部分市场份额的仍是H DD机械硬盘，而机械硬盘固有的性能瓶颈也决定了SATA Express接口在其上还暂时无用武之地，SATA 6Gb/s仍将是主旋律。目前来看，要将HDD机械硬盘从SATA 6Gb/s直接更新到SATA Express是不现实的，所以厂商们必须要保证对SATA 6Gb/s接口的HDD兼容的话，在主板上使用PCI-E/SATA兼容的SATA Express接口是好的选择。

SATA Express，前景可期

目前SATA-IO还在对SATA Express做后的讨论与定案，而其标准的正式发布，估计快也要到2013年中后期了。不过通过对现有资料的分析，我们应该能够看出，SATA Express的大改变就在于实现了从传统SATA环境到PCI-E的转变。而SATA Express想要在后期再做出性能上的调整也非常简单—只需要增加PCI-E的通道数量，就能继续提升带宽，升级也非常方便。

SATA Express的主要意义在于为高速SSD和混合硬盘等存储设备提供更高性能的应用环境，对这部分高速存储设备而言，SATA Express有很大的意义。而SSD在结构上的特殊性也决定了它有着“无限”提升速度的可能性。因此，笔者认为，依托SATA Express，未来的SSD又将会进入一个竞速时期。而这一切，应该在SATA Express正式发布之后就能看到苗头。当然，主板厂商对于SATA Express的支持快慢也是一个决定性因素。如果业界动作快的话，在SSD领域，SATA Express取代SATA 6Gb/s成为主流，完全是可期的事情。

编者注：本文所有引用的资料皆来自SATA-IO的官方网站目前所公布的资料。目前SATA Express尚未正式发布，因此SATA Express的终形态与技术参数或许会与本文有所出入。