详细分析磁盘物理结构和各种常用的接口SATA SAS eSATA等

一、linux 磁盘存储设备

1.1 磁盘存储的物理结构

为什么我们要了解磁盘存储结构，现在的HDD和SSD在Linux 上的显示，依旧是以一种原始结构展示出来。因此，我们依旧需要了解什么扇区/柱面/磁头/磁道等概念。

sudo fdisk -l # 比如查看基本的磁盘分区参数
Disk /dev/sda: 500 GiB, 536870912000 bytes, 1048576000 sectors
Disk model: VMware Virtual S
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes

1.2 HDD物理结构

注意：SSD物理结构尽管完全不同，但是依旧保持了这种的表达形式。这就是为什么物理磁盘没有柱面等结构依旧有这样的表达。

这里回答了为什么我们使用的SSD磁盘在一些系统中依旧有柱面相关HDD等概念。

机械结构主要包括：主轴马达/机械臂/磁头/碟片

扇区（Sector）：磁盘上最小的物理存储单位

磁道（track）：同一个同心圆的扇区组成的圆

柱面（cylinder）：一个磁盘里有多个碟片，所有的磁碟上的同一个同心圆磁道就组成了一个柱面。

1.2.1 实例解读

Disk /dev/sda: 500 GiB, 536870912000 bytes, 1048576000 sectors
Disk model: VMware Virtual S
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes

GB吉比字节是数字信息的单位字节（B）的倍数。二进制前缀gibi（Gi）表示2的30次方，因此1 gibibyte等于1073741824 bytes = 1024 mebibyte（MiB）。吉比字节由符号GiB表示。

1048576000 sectors ：表示总共有1048576000 个扇区

Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes表示每个扇区的大小单位，某些情况下展示cylinder 的大小（这是为了兼容性）

Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes 表示逻辑扇区和物理扇区的大小

物理扇区和逻辑扇区

逻辑扇区大小：这表示操作系统在阅读或写入数据时与之交互的扇区大小。

物理扇区大小：这表示磁盘本身物理扇区的实际大小。在这种情况下，它也被称为512字节。现代硬盘驱动器和SSD通常具有物理扇区空间。

如果这些值相同（逻辑扇区大小和物理扇区大小均为512字节），则表明磁盘使用一致的扇区大小

目前的扇区的大小是：512B，随着数据量的扩大有的是4KB的大小。

补充：设备的字节单位问题GB =？GiB 问题

fdisk 更多的输出结果，请直接参考的fdisk 的参考手册：https://man7.org/linux/man-pages/man8/fdisk.8.html

二、磁盘分区

为了适应高数据量4KB扇区的扇区。有了新的分区方式GPT模式。

MBR分区（MS-DOS兼容模式）
新方式GPT模式

2.1 常见磁盘传输接口类型

2.1.1 接口概述

2.1.2 SATA

SATA（Serial Advanced Technology Attachment）是一种用于连接计算机内部硬盘驱动器、固态硬盘以及光驱等存储设备的接口标准。它是一种串行数据传输接口，取代了早期的并行ATA（IDE）接口，为数据传输提供了更高的速度和性能。

固态硬盘（SSD）和机械硬盘（HDD）支持： SATA接口广泛用于连接各种类型的硬盘驱动器，包括传统的机械硬盘和更快速、耐用的固态硬盘。

总结，SATA作为主流接口，优点很多，发展很快包括：1.0/2.0/3.0/等。

个人电脑上一般会有接口

识别样式

2.1.3 SAS接口

SAS是一种功能强大、用途广泛的存储接口，非常适合要求高性能、可扩展性和可靠性的苛刻应用。虽然其较高的成本和复杂性可能不适合所有情况，但它仍然是数据中心和其他数据为王的关键任务环境的首选。

一个个人电脑上并不配置此接口。SAS 发展到1.0/2.0/3.0 速度更快，当然也更加昂贵。

2.1.4 IDE 接口

IDE已经被SATA替代了，这里并不做讨论，因为一般也见不到了。

IDE（Integrated Drive Electronics）接口，也称为PATA（Parallel ATA），曾经是连接计算机主板和硬盘驱动器之间的标准接口。然而，随着技术的发展和性能需求的提升，IDE接口已经逐渐被更先进的接口标准所取代，特别是SATA和SAS接口。

在现代计算机中，IDE接口已经相对较少见，而SATA接口成为连接内部硬盘驱动器的主流标准。SATA接口具有更高的传输速度和更好的性能，同时支持热插拔和更紧凑的数据线，这些特性相比IDE接口更加优越。

另外，固态硬盘（SSD）的普及也加速了IDE接口的淘汰。大多数SSD采用SATA或更先进的接口标准（比如NVMe），因为这些接口能够更好地发挥固态硬盘的性能优势。

2.1.4 SCSI接口

在消费级市场和普通家用计算机中，SCSI接口已经相对较少见。SATA和SAS等接口标准更加普及，因为它们提供了更高的性价比和易用性。

SCSI接口有多种类型，包括并行SCSI（Parallel SCSI）和串行SCSI（Serial SCSI）。串行SCSI又被称为SAS（Serial Attached SCSI），它是SCSI的现代化版本，提供了更高的性能和可靠性。

2.1.5 USB

USB盘就是我们使用接口，这里不再赘述。

2.1.6 eSATA接口

eSATA是一种扩展SATA 接口，实际上就是外置式SATA II规范，是业界标准接口Serial ATA(SATA)的延伸，用来连接外部而不是内部SATA 设备。简单的说就是通过eSATA 技术，让外部I/O 接口使用SATA2 功能。

eSATA它不牵涉到底层的复杂技术，只需要完善下接口部分而已，最终的应用形式显然是需要把硬盘配置在某种盒状装置内的，虽然SATA硬盘本身支持热插拔。业界对eSATA接口的描述就是，基于标准的SATA线缆和接口，连接处加装了金属弹片来保证物理连接的稳固性，而eSATA线缆能够插拔2000次，这也为eSATA抢班夺权创造了很好的条件。

随着USB 3.0和更高版本的普及，eSATA的使用减少，但对于需要更高速、更可靠的数据传输的场景，eSATA仍然是一种有用的外部存储连接接口。

尽管eSATA只是SATA接口的延伸，而且制造商并不需要对SATA的协议和处理芯片进行任何修改，但要确保将SATA安全地移到机箱外，并通过SATA-IO国际组织的审核，必然有许多地方需要加以改进。

这种接外置接口的东西，现在随着USB发展，速度越来越快，基本上都被淘汰了。

2.1.7 M.2接口

M.2原名为NGFF接口，标准名称为PCI Express M.2 Specification。它是为超极本（Ultrabook）量身定做的新一代接口标准，以取代原来基于mini PCIe改良而来的mSATA固态硬盘。无论是更小巧的规格尺寸还是更高的传输性能M.2都远胜于mSATA。
M.2接口支持多种数据传输协议，如SATA、PCIe、USB、HSIC、UART、SMBus等。其中包括SATA（以传统的SATA III速度运行）和PCI Express（PCIe），其中PCIe x2和PCIe x4速度版本较为常见。
M.2接口是为超极本（Ultrabook）量身定做的新一代接口标准，以取代原来的mSATA接口。

M.2 SATA接口指的是M.2插槽上使用的SATA协议，用于连接SATA SSD。这意味着SSD通过M.2插槽使用SATA接口协议进行通信，这些SSD通常采用SATA III接口标准，传输速度受到SATA III的限制（理论上最高速度为6Gbps）。

2.2 传输接口总结

我们常见的接口有USB优盘/SATA接口（个人笔记本）/SAS 接口（高性能服务器配置）。其他接口基本被淘汰了。

2.3 协议

主流硬盘使用的协议主要包括AHCI、NVMe和SCSI。其中，AHCI是硬盘的主流协议，被广泛用于民用场合。

而NVMe协议则主要应用于超高性能和企业级硬盘场合。

AHCI（Advanced Host Controller Interface）是一种硬盘接口标准，它允许存储驱动程序启用高级串行ATA功能，如本机命令队列和热插拔。AHCI通过包含一个PCI BAR（基址寄存器），来实现原生SATA功能。由于AHCI统一接口的研发成功，使得支持串行ATA产品的开发工作大为简化。

具体来说，AHCI技术规范提供了一种通用的硬盘接口规范，该规范可以让SATA存储设备激活高级SATA功能，例如原生指令队列及热插拔。因此，AHCI协议实际上定义了如何传输SATA协议的数据。

三、参考

[1] https://man7.org/linux/man-pages/man8/fdisk.8.html

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