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M.2、mSATA、NGFF、miniPCI-e接口引脚定义

http://bbs.pceva.com.cn/thread-96050-1-1.html

NGFF M.2(以下简称M2)和SATA Express(以下简称SATAe)用来代替现在MiniPCI-Express(以下简称MIni PCIe)/mSATA和SATA新一代接口。

M2接口和SATAe接口可以在一些新的笔记本电脑和Intel 我在9系列主板上看到了它,因为它很容易与现有的界面混淆。这里有一个简单的介绍。

一、M2

M2.目前无线网卡和3很常见G网卡和一些小的SSD的Mini PCIe/mSATA替代升级版具有尺寸小、高度低、集成度高的优点。 在这里插入图片描述

M接口、板卡因尺寸规格(长、宽、高)和键位(Key)不同的,分为多种规格。以下是链接器制造商的引用TE的一篇PDF,

简单说明。

可以看出,M这四个参数区分不同的规格,包括宽度长度-高度-键位。特别是最后一个键位,它特别区分了用途。

例如,2242-D2-B-M,是一个宽度22mm长度 42mm双面各高1.35mm B M键位的M2插卡,这个插卡应该是一块SSD,具备PCIe x2及SATA接口(当然任何M2设备只能使用其中一个接口,具体接口由主控制决定)。

(上图分别是mSATA规格和M2 2280-D2-B-M规格的Intel 530 SSD)

(上图是2280-D2-M规格的三星XP941 SSD)

(上图分别是Mini PCIe半高规格和M2 2230-S3-A-E规格的Intel 7260无线网卡)

(上图为华硕Z97杜蕾斯,可见PCH靠近散热器下方SATAe端口旁边有一个M2 M可支持键插槽M2 2260和2280两种规格SSD) 从上面的例子可以看出M通过键位可以区分插卡和插槽的用途。同时,每个规格还包含多组数据/信号通道,供不同用途使用。Mini PCIe/mSATA一样,M接口的金手指也交错排列在两侧。这里是针脚的几种常见规格的定义。

(上图 M2-A,键位在pin8-pin15。具备PCIe x2、NFC、Display Port和USB 2.0通道等)

(上图 M2-B,键位在pin12-pin19。具备SIM卡、音频、PCIe 2.0、SATA及USB 3.0通道复用通道等)

(上图 M2-E,键位在pin24-pin31。具备PCIe x2、NFC、SDIO、PCM、USB 2.0通道等)

(上图 M2-M,键位在pin59-pin66。具备PCIe x4及SATA复用通道)

(上图 M2-1216 HMC规格,非插卡形式,主要用于通信模块)

(上图 M2-2226 HMC规格,非插卡形式,仍是通信模块)

(上图 M接口金手指及键位布局,可见金手指交错排列)

除了规格,我们还可以看到A B E M除了四个键位,还有其他键位,但大部分还没有应用。

M2的键位设计的比较有迷惑性,像当年DDR内存相同,容易被强插导致插反。例如,A和M键位,注意两侧剩余的金手指片数,一个是4/3,一个是5/4。另外,遇到不熟悉的人,不要强行插入,以免损坏。

A和E针脚定义有一定的共性,BM有一定的共同点,但是AE/BM两者差别很大。也就是说,M2接口通过不同的键位进行区分,其他键位的插卡不能通过物理损坏强行插入不合格的插槽。

跟Mini PCIe/mSATA接口类似,B M键位的M2接口的PCIe通道和SATA通道也是复用的,设备是通过一组检测针脚来判断的PCIe通道还是SATA同一设备只能使用一个通道。

M也只用3个接口.3v为输入电压,如果未来会有向2.5"可能需要转移的设备DC-DC直接转换或要求3.3V输入。

点评:

M在设计界面时,考虑到界面可以用于多种用途,不同场合可以使用多种尺寸和规格(不仅仅是前面介绍的22mm宽度和HMC还有16种模块形式mm和30mm宽度在最终数据中提供),未来还有进一步扩展的空间。

然而,由于规格太多,人们很容易感到困惑和兼容。例如,如果笔记本上有一个2242规格的插槽,2280个插槽SSD不能使用;同样,如果2260规格的插槽在4260mm如果位置没有预制螺孔,则不能使用2242规格SSD。

现阶段M2规格的设备仍然很少,一些制造商走在前列,或同时推出M2和Mini PCIe/mSATA设备规格。采购时必须确定插槽的规格和设备的规格。除了尺寸和键位,还要注意SSD走的是PCIe通道还是SATA通道。如果同一款SSD既有mSATA规格又有M规格(例如Intel 530)那一定是走路,SATA不要被外观所迷惑。

二、SATAe

SATAe是目前SATA接口升级版有点像M2,也是PCIe x2及SATA的复用接口。

SATAe它不是一个新设计的接口,而是在现有SATA界面进行了改造,借鉴了部分SAS接口设计。

如上图所示:(a)是SATAe设备端插头;(b)是SATAe数据线设备端插口;SATAe热插背板设备端插口;(d)是SATAe主机端口;(e)是SATAe数据线主机端插头。

这里我们跟着现有的SATA接口和数据线插头可以找到不同。如果你手里有空闲的东西不需要,SATA硬盘比较硬盘和数据线/电源线(一体化最好)。如果手里有,SAS接口设备更好。

先说设备端。

目前SATA设备的接口分为两段-数据线7pin和电源线15pin,有一个"7"或者"L"形状的舌头或缺口。SATAe里面,"7"和"L"角落被连接起来,也就是说,舌头变成了一个完整的平面,底部有空缺。同时,连接的另一侧有7个pin金手指。

不太形象?在这里借用SAS接口用于说明(SAS接口跟SATAe设备端接口有很大的相似性)。

A段和C段是SATA、SATAe、SAS接口共有部分,B段是SATAe和SAS接口的独特部分。SATAe接口和SAS接口B段的物理形状并不完全相同,结合上图(b)的就能发现SAS整个接口在B端下方掏空,而且SATAe接口B端下仍有突出。这也就保证SAS和包括SATA无法插入集成电缆SATAe设备中,反之,SATAe可插入电缆SATA和SAS设备中。

换个角度。看看你的手SATA硬盘接口,上图(a)(b)和上图。SATA接口是"7"和"L"中间断开;SATAe接口是"7"和"L"拐角处连接,但底部空缺一块;SAS接口是"7"和"L"整个角落连成一体。

再到主机端。

SATAe接口的主机端实际上是两个SATA接口并排,一个只有4pin的缩小版SATA接口。这是为了确保向下兼容性,毕竟SATAe接口是复用PCIe x2及2组SATA如果不考虑线路的兼容性,接口浪费会非常严重,布局困难。

其实只有一种PCIe x2线路的SATAe接口,真的是上图(d)的SATA接口中有几个凸起,所以SATA数据电缆不能插入接口,只能使用特殊的接口SATAe PCIe x2线缆。

也许有人会问,既然是用的PCIe x2替代两组SATA线路,那为什么多4呢?pin界面?除了物理上的区别,原因之一就是SATA但是PCIe是外围通用,不仅要有数据pin,还要有时钟pin等。

SATAe我没有找到针脚的确切定义,但基本上可以推断是PCIeTx /Tx-/Rx /Rx-与SATA Tx /Tx-/Rx /Rx-相复用,PCIe额外要用的针脚可能与其他针脚相复用。这也就导致SATAe虽然可以插入电缆SAS但实际上不能在设备中使用。

点评:

SATAe解决当前标准2.5"和3.5"外观存储设备带宽设计,起点好,但可能很快变成鸡肋。

为了保证对SATA向下兼容性,SATAe接口占地面积过大。相对于M2小接口,SATAe简直巨大,而且带宽只有M2 M键规格的一半(这还不算M2可以用来自CPU的PCIe 3.0,但SATAe目前只能用PCH提供的PCIe 2.0差异),当有更大的带宽设备时,就会出现新的瓶颈。所以SATAe很可能只是过度设备,或者只能作为消费平台上的非固定存储设备。因为: 1 在不追求单一设备高带宽的情况下,便宜又充足SATA 6Gbps(半双工)。即使主板本地不够,成本也很低PCIe SATA扩展卡。 2 双端口追求高可靠性和高可用性SAS,单端口带宽可达12Gbps(全双工)SAS HBA和SAS Expender成规模扩张。 3 在追求高性能的情况下,有PCIe插卡形式的SSD(包括M2)。可自主选择x2 x4 x8甚至更高的PCIe为了实现更高的带宽,链路需求。 4 在追求高性能和热插拔的同时,有为下一代NVMe SSD设计的多功能接口 SFF-8639.可用于6个数据通道PCIe 3.0 x4、SATAe x2、SAS 12Gbps、SATA 6Gbps,根据需要进行分配。

SFF-目前可见8639Intel和三丧最新2.5" PCIe NVMe SSD和DELL PowerEdge R920服务器上。

SFF-639接口在SAS接口(SFF-8482)的两面上都排列了针脚,使其具备6条数据通道(复用):白色SATAe x2;白色及灰色SAS x4;黑色PCIe x4。 未来的SATAe设备接口可能会转向SFF-8639接口,以适应下一代需求。

由于Intel决定不在新的9系列平台上提供对SATAe的原生支持,所以目前计划推出的9系列新主板也只有部分高端型号加入了该接口,但PCH PCIe链路争抢严重,加之与CPU通信的DMI总线只有相当于PCIe 2.0 x4的带宽,所以即使有了新接口,但也难以发挥出优势。况且目前尚无量产的SATAe设备,主板上的接口只能暂时当一般的SATA接口使用,或者转接为标准PCIe 2.0 x2插槽使用。

下一代原生PCIe的SSD主控,比如SF-3700系列,前端同时提供PCIe x2和SATA两种接口,配合SATAe接口也许能发挥最大作用。

三、M2和SATAe带来了什么

显而易见的就是更高的带宽。PCIe 2.0 x2 10Gbps要比SATA 6Gbps快了66%,如果升级成PCIe 3.0 x4更是快了5倍以上。

但这是对目前最常见的SATA来说。在数据中心和其他有RAS要求的环境中广泛应用的SAS具备双端口功能,而且是全双工(SATA是半双工)。在SAS 6Gbps下,利用双端口就可以实现12Gbps的总带宽,已经可以超过目前大部分M2和SATAe设备的带宽。而且SAS已经进化到12Gbps,双端口也就是24Gbps的带宽,仅比PCIe 3.0 x4的32Gbps少了1/4。(其实不应该这么比,SAS的双端口很多时候是作为冗余用的,目的是防止单点故障;而且一个是企业级一个是消费级,设计思路是不同的)

存储接口纷纷拥抱PCIe的一个原因就是PCIe可以通过多通道轻松倍增带宽,x1-x2-x4-x8-x16。而SATA只能通过RAID的方式间接增加带宽,逻辑更复杂了,系统的不稳定因素也更多了。

但系统中的PCIe资源是有限的。Intel LGA1150 CPU只有16条PCIe通道,9系列芯片组可以拿出8条(其中1条必然要被集成网卡拿走),其中有多少资源可以供给M2和SATAe用?高端主板上排满了PCIe x16插槽和各种板载设备,还要留出空间给M2和SATAe,资源争抢非常严重。要知道先前提到的配备PCIe NVMe SSD的DELL PowerEdge R920是四路E7v2的服务器,总共有160条PCIe 3.0通道,因此分8x4条出来给存储用完全无压力。

当然主板厂商可以依靠老办法——PCIe通道切换开关和PLX桥接芯片来最大化PCIe布局。最后的结果可能是密密麻麻的一板子接口,大部分是摆设;或者一堆设备争抢一条窄路,看上去美,但用起来受罪。(合理应用PCIe开关和PLX桥接芯片可以最大化资源利用,但前提是合理;为确保使用体验,用户也应该知道哪些接口共用了一条通道;我不想再说说明书的重要性,但消费级主板厂家的说明书大都是摆设)

至于曾经提及的延迟问题,仅仅是从SATA转向PCIe并不会带来实质的进步。相反,转接过多的话,延迟会不降反增。这跟多卡SLI/CF,用PLX方案的性能要比原生通道拆分的低是一个道理。

也许主板厂商可以大胆地分配一路PCIe 3.0 x4给M2接口与最后一条PCIe x16接口共用,但这目前也是象征意义大于实际意义。直接用CPU的PCIe通道固然可以降低延迟提高性能,但这也限制了显卡的扩展,而且目前尚无PCIe 3.0 x4的M2 SSD。所以就实用来说,对主板厂商还是用户,都是一个两难境地。而这种尴尬局面也许需要更多的CPU PCIe通道(比如LGA2011平台)和未来新设备的发展才能解决。

mSATA接口是标准SATA的迷你版本,由于mSATA SSD占用体积比2.5寸标准更小,因而在不少笔记本中得到采用。同时mSATA接口的SSD可以方便固定在主板上成为一体,也开始受到不少台式机用户的喜爱。

mSATA接口与mini PCI-E接口的外观相同,并且物理引脚相容。但并不能直接互通使用。这给不少人带来了疑惑。有朋友买了mSATA SSD回来却发现安装后无法识别SSD。

mSATA接口的美光M4 64G,本站曾有测试: http://bbs.pceva.com.cn/thread-51870-1-1.html

mSATA的接口外观上虽然与mini PCI-E完全一样,但是数据信号需要连接到SATA控制器,而非PCI-E控制器上,二者因此不能兼容。大多数主板的此类接口只能使用其中一种功能。

要实现一个接口同时兼容mSATA与mini PCI-E,需要使用PCI-Express/SATA路由芯片来解决。这个芯片本质上就是一个双向多路复用器,以NXP CBTL02042芯片为例:

mSATA和mini PCI-E接口有着相同的外形和类似的引脚分配。CBTL02042通过第43针脚来识别当前插入到插槽中的是mSATA设备还是mini PCI-E设备:mini PCI-E设备的第43针被定义为no connect未连接,而mSATA的第43针定义是GND地线。

识别设备类型后,路由芯片就能够将接口导通到对应的通道,从而实现了一个接口兼容mSATA与mini PCI-E两种设备的目的。目前来看这是最完美的解决方案。

市面上提供mini PCI-E/mSATA插槽的主板大致分为4类:

只提供mini PCI-E:

多数主板属于此类。mini PCI-E接口主要就是用于安装无线网卡,提供板载Wifi功能。

技嘉GA-H77N WIFI提供了一个mini PCI-E插槽,搭配安装半高规格的无线网卡。

只提供mSATA:

技嘉的GA-B75-D3V,提供了一个mSATA插槽,专门用于mSATA SSD。

同时提供mini PCI-E与mSATA接口:

华擎Z77E-ITX同时具备mSATA(背面)与mini PIC-E(正面)插槽,论坛内的McLaren发过此型主板的开箱文展示:http://bbs.pceva.com.cn/thread-70944-1-1.html

正面的mini PCI-E插槽,用于安装无线网卡(附送)。

背面的mSATA插槽,用于安装mSATA接口的SSD(非标配):

双向多路复用,同时兼容mSATA/mini PCI-E:

微星Z77IA-E53(本站评测:http://www.pceva.com.cn/article-1353-2.html)

能够同时兼容半高与全高规格的设备:

总结

由于mSATA接口需要复用主板的SATA接口,目前多数主板的mSATA接口为3Gbps规格(SATA2.0)。6Gbps(SATA3.0)速率的mSATA更多的出现在笔记本上。

mSATA SSD的大小约为51mm30mm,为全高mini PCI-E卡的长度。 mini PCI-E无线网卡多数为半高规格,约为27mm30mm。当然了,也不能排除有Intel 3945这类全高规格的,不过半高规格还是占据了多数。

mSATA与mini PCI-E接口的外观相同,安装位的规格可以作为判断接口类型的一个参考。半高位的基本可以肯定是用来安装无线网卡的mini PCI-E插槽;而要判定插槽为mSATA,除了安装位需要是全高规格以外,最好还是查一下主板厂商的资料进行一下确认。多数支持mSATA的主板会进行明确的标注,而如果没有相关信息,则该插槽很可能是mini PCI-E标准的

mSATA引脚定义

Mini PCI-E引脚定义

本文来源于:《NGFF、M.2、mSATA、miniPCI-e基础知识入门》

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