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SATA Express

计算机总线
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SATA Express（英文：Serial Advanced Technology Attachment Express，亦可缩写为Serial ATA Express，也有坊间的非官方缩写SATAe）是一种基于SATA和PCI Express（PCIe）而来的高速电脑总线，用于SATA、PCIe存储设备，最初是作为SATA 3.2版标准发表。[1]

SATA Express
主板上的SATA Express连接端口
英文全名Serial Advanced Technology Attachment Express
发明日期2013年
带宽最高 1969 MB/s（采用SATA Express物理接口，PCIe 3.0 ×2）
类别串行
热插拔支持，需要其他系统组件配合[1]
外置接口不支持

来历

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可用性

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最初内置SATA Express控制器的是英特尔于2014年的9系列PCH芯片组（H97、Z97），适用于Haswell微架构的处理器（LGA 1150插槽）。[2][3]不过，2013年11月华硕发布了带有SATA Express连接端口的“Z87-Deluxe/SATA Express”主板，使用一颗由祥硕科技提供的SATA/PCIE分配芯片ASM106SE和相应的多工器芯片支持，不过这款主板仅在2014年的CES消费电子展上展出以后便无任何推出市场的计划了。[4][5]

2014年4月，华硕公开展示了一种准量产型的SATA Express硬件，并支持华硕称为“带独立展频时钟的分立式基准主频”（SRIS）特性。SRIS的要点在于在SATA Express存储设备上增加一个用于资料信号传输的时钟发生器，在主板的固件上予以额外支持，来降低SATA Express资料连接线传输同步PCIe总线信号时屏蔽的技术需求，并降低辐射。[6][7][8]

2014年5月，首批使用Z97和H97芯片组的主板上架贩售，不少主板不仅提供了SATA Express连接端口，还提供了M.2插槽（M.2是一种界面卡式存储器连接结构，安装于主板上，和SATA Express原生物理界面一样提供PCIe和SATA的脚位）。Z97和H97为每个SATA Express连接端口各提供了PCIe 2.0 ×2规格的PCIe通道，每个SATA Express设备可拥有1GB/s的带宽。[3][9][10]不过这两款芯片组的主板都主要用于高阶性能机桌面型平台，对一般主流级市场影响不大。[11][12]而极致性能级桌机平台上，英特尔于2014年8月推出了支持SATA Express的X99芯片组。X99主板上SATA Express界面的PCIe通道仍由X99 PCH提供，而M.2插槽的PCIe通道则是视主板厂商而定，可从X99 PCH上引出两条PCIe 2.0通道，也可从LGA 2011-v3插槽的处理器上引出最多4条PCIe 3.0通道，来供M.2插槽使用。[13]

AMD则于2017年发表了Socket AM4和Socket SP3(r2)/LGA 4094处理器平台，内置SATA Express控制器。[14]

使用度

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SATA Express的推广使用上，分为两种情况。单就SATA Express控制器本身而言是算成功的，至2017年推出的主板芯片组、x86 CPU/SoC均有支持。然而就SATA Express物理接口上来说则是相当的失败，以至于SATA Express协议被NVMe协议取代，SATA Express物理接口也被后续者M.2和U.2取代，载有SATA Express物理界面的主板可谓是相当的少，早期甚至连驱动程序也欠奉；至于SATA Express物理界面的存储设备也可谓寥寥无几。[15][16]

2015年SATA Express发布了一种兼容SAS、PCI Express x4、SATA总线的的U.2连接器界面，U.2更多用于服务器等企业应用场合。

特性

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SATA Express软件体系结构的一个高层次概览，可以看到SATA Express总线并没有选择另立总线协议，而是选择同时支持原有的SATA设备以及PCIe存储设备（通过AHCI或NVMe逻辑器件接口）[17]:4

SATA Express本身配备了新的物理连接界面，连接端口可向下兼容原有SATA标准的SATA连接线插头，[18]而实际上SATA Express是使用两条PCIe通道传输资料，其对应的连接端口几乎相当于一个特化的PCIe ×2插槽，所以基于SATA Express的存储设备是通过PCIe总线与SATA Express控制器进行通信的。[19]不像此前的数个SATA标准，由于固态盘机（SSD）的长足发展和越发广泛的使用，SATA 3.0对于SSD来说已不敷使用，能在与旧设备兼容的基础上比SATA 3.0（6 Gbps）提升多倍的总线带宽，SATA 3.2选择使用PCIe和SATA共享技术标准。[20]不过相比原来的SATA标准来说，为了能在PCIe总线上运行而修改了大量的技术参数标准，而为了兼容旧有的SATA，运作时功耗又会比只使用PCIe总线的控制器要高。[21][22]选择与PCIe走在一起的另一个原因是，作为一个可广泛适配的电脑总线，PCIe可在提供足够的带宽的同时，还能通过增加PCIe通道数来达成成倍带宽提升。[23]

此外，因为SATA Express支持原来在SATA逻辑接口层（面向操作系统）上运作的AHCI，使得支持只有逻辑接口层标准的NVMe（AHCI的继任者）也成为了可实现的目的，只要SATA Express的存储设备支持。支持AHCI可确保能兼容现时大量的旧型SATA设备和旧版的操作系统（如Windows 7），对NVMe的支持则可全力发挥PCIe存储设备的功能与性能，像是大量I/O操作的并行化执行。[17]

SATA Express接口同时支持PCIe存储设备和SATA存储设备，其物理连接接口占用两条PCIe 2.0/3.0通道和两个SATA 3.0（6.0 Gbps）连接端口（两种连接接口重用一个物理连接端口），主机和存储设备之间的连接是纯PCIe总线连接的，不需要额外的总线抽象层。[19][22] 2013年8月的SATA 3.2版本规范中，正式将SATA Express总线标准推出，并公布其硬件规格以及电气特性参数。[1][24]

SATA Express选择使用PCIe，使得其性能可以通过多条并行的或是更高版本的PCIe总线来获得性能的提升。举个例子，使用PCIe 2.0 ×2时，可在8b/10b编码及2×5 GT/s的吞吐量时获得1GB/s的带宽；而使用PCIe 3.0 ×2时，同样通道下使用128b/130b编码、2×8 GT/s的吞吐量时可获得接近2 GB/s（实际1,969MB/s）的带宽。[19][23]作为对比，SATA 3.0（6 Gbps）仅拥有0.6 GB/s的带宽，使用的是效率相对较低的8b/10b编码。

运行模式

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对于SATA Express控制器和其连接的存储设备，它们可使用3种不同的逻辑器件接口和命令集：[22][17]

传统SATA

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用于向下兼容传统的SATA设备（包括使用AHCI逻辑接口的SATA设备）、SATA Express控制器提供的SATA 3.0连接端口。

使用AHCI的PCI Express

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一来是用于使用PCIe总线并通过AHCI逻辑接口与主机连接的PCIe SSD；而二来是在操作系统中以兼容性为目的，提供非性能优化，以广泛使用的SATA模式（通过AHCI逻辑接口）访问PCIe SSD（即AHCI模式，方便安装不支持NVMe的旧版操作系统，如Windows 7）。在AHCI开发的时代，系统的主机适配器将CPU/存储器子系统与相对慢得多的、基于旋转磁性介质的存储子系统，AHCI是针对这种悬殊的速度差来进行优化设计的。而到了固态盘广泛使用的时代，AHCI便出现了一些与固态盘的运作原理不相适应之处而导致的性能低落，现时固态盘机采用的闪存，存储原理与DRAM有类似之处（尽管速度仍是慢得多），不同于旋转存储介质。

使用NVMe的PCI Express

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用于使用PCIe总线并通过NVMe逻辑器件接口与主机连接的PCIe SSD。NVMe是一种转为闪存设计的高性能、可扩展的主机控制器接口，其高性能主要在于低延时和I/O操作的并列性，现代CPU、系统平台及应用均可受益。相比AHCI，NVMe提供在主机硬件和软件可支持的情况下提供原生的存储并发性支持，更少的资料存储层级、更深的命令队列和更高效的中断处理。

物理界面

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参见：M.2 (NGFF)和串列ATA
 
SATA Express主机连接器，即一般的“主板插座”（Host plug），可连接两个传统SATA设备或是一个SATA Express设备[25]

SATA Express原生物理接口

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共有五种物理是SATA Express可用的，取决于设备的用途：[18]

  • Host plug：即原生SATA Express物理接口，用于主板、附加控制器（如扩展接口卡）上。与旧型SATA设备无缝兼容、不需要额外的适配器或转换器的保守设计。[18]主板一侧的连接器可选择连接两个旧型SATA设备或是一个SATA Express连接线的PCIe固态盘。而连接端口上的总线工作在PCIe模式还是SATA模式，取决于所连接的存储设备。[25]
  • Host cable receptacle：SATA Express资料连接在线的插头，用于连接主板上的Host plug插座，不兼容于旧SATA插座。
  • Device cable receptacle：SATA Express资料连接在线的插头，用于连接存储设备，兼容旧型SATA插座，一个Device cable receptacle插座可插上一条旧SATA连接线与主板的SATA插座连接，不过这样的话设备只会在SATA模式运作。
  • Device plug：使用于SATA Express存储设备上，这种连接端口是部分向下兼容设计，可令设备与多链接SAS（MultiLink SAS）或与下面提到的U.2主板插头配合使用。[26][a][b]然而，SATA Express在设备与主板连接后，需要设备支持PCIe连接时方能开启PCIe通道。
  • Host receptacle：与M.2类似的板上连接方式，不需要连接线。这种连接方式间接兼容连接一个旧型SATA设备。

这五种SATA Express物理连接器仅提供两个PCIe通道（即PCIe ×2规格），毕竟一开始就是基于旧版SATA及SAS物理接口改造的保守设计，注重向下兼容性和成本效益，以便降低推广成本，而且就算因性能接受度问题（仅支持到PCIe ×2）没有厂商愿意推出搭载这类连接器的主板或设备，兼容SATA接口的设计也能保证其可用性及重用性。

U.2和M.2

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事实上SATA-IO并不满足于让SATA Express仅支持到PCIe x2的规格。SFF-8639连接器规格（即后来的U.2）支持PCI Express x4、SAS、SATA总线，但采用线缆结构，主要用于企业级、服务器固态存储设备。[26][29][30][31]至2015年3月，一些厂商推出了使用U.2连接器、支持NVMe的固态盘产品（如Intel 750系列）[27][32][33]，预料本规格在性能上会获得更广的接受度，因为和M.2一样可以使用PCIe x4的规格，比原生SATA Express的高出一倍的PCIe通道，能达成最高约32Gbps（约4GB/s）的带宽，同时保有SATA等旧型总线的间接兼容性。因针脚定义相同，SATA Express也可直接使用M.2物理接口来实现板上连接，而市面上也有M.2与U.2的被动转接器贩售。[34]也有SATA Express设备直接采用PCIe物理规格的例子。

U.2支持热插拔而M.2不支持热插拔；U.2可使用3.3V电源电压和12V电源电压，而M.2只能使用3.3V电源电压；M.2可应用于固态硬盘、无线网卡等设备，而U.2仅用于2.5英寸固态盘。

下表简略展示SATA Express不同连接器之间的兼容度：

连接器兼容性[18]:1
  SATA Express
主机线缆
插座 		SATA Express
设备线缆
插座 		SATA Express
主机插座 		SATA线缆
插座 		U.2背板
插座[a] 		SAS MultiLink（英语：SAS MultiLink）
插座[b]
SATA Express
主机插头 		是 否 否 是 否 否
SATA Express
设备插头 		否 是 是 否 是[c] 是[c]
SATA
设备插头 		否 是 是 是 是[d] 是[d]

兼容度

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SATA Express向下兼容是设备层级的，只要存储设备支持SATA均可使用；而PCIe模式，只要主板芯片组/SoC有SATA Express控制器，也只需设备支持即可正确开启。不过无论是何种模式，仍然需要操作系统驱动程序的支持。

机械参数上，无论是原生SATA Express连接器还是U.2连接器，针脚的功能设置类似于USB 3.0向下兼容USB 2.0的做法，原生SATA Express在两个旧型SATA 7针连接器的基础上另外新增了其它PCIe所需针脚位，也因此可让旧型SATA资料传输线适配（最多插入两个设备）。[18][25]而U.2则是采用与M.2类似的针脚定义，U.2需要额外的被动适配器才能与旧型SATA设备连接。另外，现时不是所有的主板都配备U.2连接端口，与M.2类似的，需要PCIe转接卡（被动或主动的，无桥接芯片的被动接口卡一般用于纯PCIe设备，带桥接芯片的主动接口卡一般用于转接SATA连接端口设备）；如果主板上配备了M.2连接端口，除了使用M.2规格的设备以外，也可通过被动转接器使用U.2的设备而无带宽损失。[34]

软件层面上，操作系统只要有AHCI驱动程序即可开启SATA Express的SATA模式（AHCI接口）访问旧型SATA设备，或是通过AHCI接口访问SATA Express连接器的PCIe固态盘，与使用普通的SSD无甚区别。但是NVMe的支持上，则需要较新的操作系统才有内置的驱动程序支持，旧操作系统（包括Windows 8及之前版本的Windows、Linux内核版本3.3以前的Linux内核、FreeBSD 9.2[35]以前的FreeBSD、Mac OS X 10.10以前的Mac OS X）需要额外的驱动程序方能支持。[17]虽然一些支持NVMe的SSD有兼容模式以便安装旧版操作系统，不过像是Intel 600p这样的SSD，本身无AHCI兼容模式支持的，需要在加载NVMe驱动的情况下安装旧版操作系统。

参见

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备注

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  1. ^ 1.0 1.1 U.2连接器最初名为SFF-8639，2015年6月改称U.2[27]
  2. ^ 2.0 2.1 MultiLink SAS receptacle也称SFF-8630连接器[28]
  3. ^ 3.0 3.1 SATA Express设备插头与U.2 (SFF-8639)或SAS MultiLink (SFF-8630)连接器匹配，但需要主机端及设备都支持才会开启PCIe通道
  4. ^ 4.0 4.1 SATA设备插头与U.2 (SFF-8639)或SAS MultiLink (SFF-8630)连接器匹配，但需要主机端及设备都支持才会开启SATA通道

参考资料

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外部链接

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