NGFFM2mSATAminiPCIe基础知识入门.docx

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NGFFM2mSATAminiPCIe基础知识入门

NGFFM.2（以下下简称M2）和SATAExpress（以下下简称SATAe）是用以替代当前MiniPCI-Express（以下下简称MIniPCIe）/mSATA和SATA的新一代接口。

M2接口和SATAe接口已经可以在部分新款笔记本电脑和Intel9系列主板上见到了，因为易与现有的接口相混淆，在这里做一个简单介绍。

一、M2

M2是目前常见于无线网卡、3G网卡和部分小型SSD的MiniPCIe/mSATA的替代升级版，具备小尺寸、低高度、集成度更高的优势。

M2接口、板卡因尺寸规格（长宽高）和键位（Key）不同，分为多种规格。

下面引用链接器制造商TE的一篇PDF，

简单说明。

可以看出，M2是以宽度长度-高度-键位，这4个参数来区分不同规格的。

特别是最后一项键位，它特别区分了用途。

比如举例中的2242-D2-B-M，是一个宽度22mm长度42mm双面各高1.35mmB+M键位的M2插卡，这块插卡应当是一块SSD，具备PCIex2及SATA接口（当然任何M2设备只能用其中一种接口，具体使用哪个接口由主控决定）。

（上图分别是mSATA规格和M22280-D2-B-M规格的Intel530SSD）

（上图是2280-D2-M规格的三星XP941SSD）

（上图分别是MiniPCIe半高规格和M22230-S3-A-E规格的Intel7260无线网卡）

（上图是华硕Z97杜蕾斯，可以看到PCH散热器下方靠近SATAe端口旁边有一个M2M键插槽，可以支持M22260和2280两种规格的SSD）

通过上面的例子可以看出M2插卡、插槽的用途可以通过键位来区分。

同时，每种规格中也包含多组数据/信号通道，供不同用途使用。

跟MiniPCIe/mSATA一样，M2接口的金手指也是两面交错排列的。

这里为了说明，给几种常见规格的针脚定义。

（上图M2-A，键位在pin8-pin15。

具备PCIex2、NFC、DisplayPort和USB2.0通道等）

（上图M2-B，键位在pin12-pin19。

具备SIM卡、音频、PCIe2.0、SATA及USB3.0通道复用通道等）

（上图M2-E，键位在pin24-pin31。

具备PCIex2、NFC、SDIO、PCM、USB2.0通道等）

（上图M2-M，键位在pin59-pin66。

具备PCIex4及SATA复用通道）

 （上图M2-1216HMC规格，非插卡形式，主要用于通信模块）

（上图M2-2226HMC规格，非插卡形式，依然是通信模块）

（上图M2接口金手指及键位布局，可以看到金手指是交错排列的）

从规格中我们可以看到除了ABEM四个键位以外，还有其他键位，但大部分尚未应用。

M2的键位设计的比较有迷惑性，像当年DDR内存一样，容易被强插导致插反。

比如A和M键位，注意数一下两面剩余的金手指片数，一个是4/3，一个是5/4。

另外就是碰见不熟悉的，不要强插，以免损坏。

从针脚定义图中可以发现A及E的针脚定义有一定的共通性，B及M的有一定共同性，但AE/BM二者之间差异较大。

也就是说M2接口是通过不同的键位加以区别的，不能通过物理损坏的方式，强行将其他键位的插卡插入不合规格的插槽中。

跟MiniPCIe/mSATA接口类似，BM键位的M2接口的PCIe通道和SATA通道也是复用的，通过一组检测针脚来判断设备是走PCIe通道还是SATA通道，同一设备只能用其一。

M2接口也是只用3.3v为输入电压，如果未来会有向2.5"转接的设备，可能需要DC-DC转换或者要求直接3.3V输入。

点评：

M2接口在设计之时就考虑到了可用于多种用途，多种尺寸规格可以用在不同场合之中（不仅有前面介绍的22mm宽度和HMC模块形式，还有16mm和30mm宽度，在最后的资料中提供），而且未来还有进一步扩展的空间。

但就是因为规格太多，容易使人发生混淆和兼容性的障碍。

就比如一台笔记本里面是2242规格的插槽，那么其他2260/2280规格的SSD就肯定无法使用；同样，如果2260规格的插槽在42mm位置没有预制螺丝孔，那么也没法使用2242规格的SSD。

现阶段M2规格的设备尚少，某些厂家走在了前列，或者同时推出M2和MiniPCIe/mSATA规格的设备。

在购买时候一定要确定插槽的规格，以及设备的规格。

除了尺寸和键位以外，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M2规格的（比如Intel530），那么肯定是走SATA通道的，不要被外形所迷惑。

二、SATAe

SATAe是目前SATA接口的升级版，有点类似于M2，也是PCIex2及SATA的复用接口。

SATAe并不是全新设计的接口，它是在现有SATA接口上加以改造得来的，借鉴了一部分SAS接口的设计。

如上图所示：

（a）是SATAe设备端插头；（b）是SATAe数据线设备端插口；（c）是SATAe热插拔背板设备端插口；（d）是SATAe主机端插口；（e）是SATAe数据线主机端插头。

这里我们跟现有的SATA接口和数据线插头找不同就可以了。

如果手里有空闲不用的SATA硬盘和数据线/电源线（一体的最好），可以拿来进行对比。

如果手里有SAS接口设备更佳。

先说设备端。

目前SATA设备的接口是分两段——数据线7pin和电源线15pin，有一个"7"或者"L"形的舌头或者缺口。

在SATAe里面，"7"和"L"拐角处被连接起来，也就是舌头成了一个完整的平面，底下空缺。

同时，在连接处的另一面多了7pin金手指。

不太形象？

这里借用一下SAS接口用以说明（SAS接口跟SATAe的设备端接口具有很大的相似性）。

A段和C段是SATA、SATAe、SAS接口共有的部分，B段是SATAe和SAS接口独有的部分。

SATAe接口和SAS接口B段的物理外形并不完全相同，结合最上方图（b）的就能发现SAS接口是B端下方整个掏空了，而SATAe接口B端下面依然有个突出。

这也就保证SAS和包括SATA一体线缆无法插入SATAe设备中，反之，SATAe线缆可以插入SATA和SAS设备中。

换个视角。

看你手里SATA硬盘的接口、最上方图（a）（b）和上图。

SATA接口是"7"和"L"中间是断开的；SATAe接口是"7"和"L"拐角处被连接起来，但底下空缺一块；SAS接口是"7"和"L"拐角处整个连成一体。

再到主机端。

SATAe接口的主机端实际上就是两个SATA接口并排，再加上一个只有4pin的缩小版SATA接口。

这是为了保证向下兼容性，毕竟SATAe接口是复用PCIex2及2组SATA线路，如果不考虑兼容性的话，接口浪费会很严重，而且难以布局。

其实还有一种只有PCIex2线路的SATAe接口，实在最上方图（d）的SATA接口中多了几个凸起，这样SATA数据线缆就无法插入这个接口，只能用专门的SATAePCIex2线缆。

也许有人要问，既然是用PCIex2替代两组SATA线路，那么为什么还要多4pin接口？

除了物理上加以区分以外，其中一个原因就是SATA是存储专用，但PCIe是外围通用，不仅要有数据pin，还要有时钟pin等。

SATAe我没有找到确切的针脚定义，但基本上可以推断出是PCIeTx+/Tx-/Rx+/Rx-与SATATx+/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线缆虽然能插进SAS设备中，但实际上没法用。

点评：

SATAe是为了解决目前标准2.5"和3.5"外形存储设备带宽而设计的，出发点是好的，但可能很快沦为鸡肋。

为了保证对SATA的向下兼容性，SATAe的接口占地面积过大。

相对于M2小巧的接口，SATAe简直巨大，而且带宽只有M2M键规格的一半（这还不算上M2可以用来自CPU的PCIe3.0，但SATAe目前只能用PCH提供的PCIe2.0的差异），在有更大带宽的设备时，新的瓶颈就会出现。

所以SATAe很可能只是过度设备，或者只能作为消费级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，有便宜量又足的SATA6Gbps（半双工）。

即使主板原生的不够用，还有低成本的PCIeSATA扩展卡。

  2在追求高可靠性和高可用性的情况下，有双端口SAS，单端口带宽就可达12Gbps（全双工）。

可以通过SASHBA和SASExpender成规模扩展。

  3在追求高性能的情况下，有PCIe插卡形式的SSD（包括M2）。

可以自主选择x2x4x8甚至更高的PCIe链路需求，以实现更高带宽。

  4在同时追求高性能和热插拔的情况下，有为下一代NVMeSSD设计的多功能接口SFF-8639。

包含6条数据通道，可用于PCIe3.0x4、SATAex2、SAS12Gbps、SATA6Gbps，根据需要以分配。

SFF-8639，目前可见于Intel和三丧最新的2.5"PCIeNVMeSSD和DELLPowerEdgeR920服务器上。

SFF-8639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SATAex2；白色及灰色SASx4；黑色PCIex4。

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PCHPCIe链路争抢严重，加之与CPU通信的DMI总线只有相当于PCIe2.0x4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PCIe2.0x2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PCIex2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。

PCIe2.0x210Gbps要比SATA6Gbps快了66%，如果升级成PCIe3.0x4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SAS6Gbps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PCIe3.0x4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。

IntelLGA1150CPU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PCIex16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PCIeNVMeSSD的DELLPowerEdgeR920是四路E7v2的服务器，总共有160条PCIe3.0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PCIe3.0x4给M2接口与最后一条PCIex16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PCIe3.0x4的M2SSD。

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CPUPCIe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mSATASSD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miniPCI-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mSATASSD回来却发现安装后无法识别SSD。

mSATA接口的美光M464G，本站曾有测试:

mSATA的接口外观上虽然与miniPCI-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miniPCI-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NXPCBTL02042芯片为例：

mSATA和miniPCI-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miniPCI-E设备：

miniPCI-E设备的第43针被定义为noconnect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miniPCI-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miniPCI-E/mSATA插槽的主板大致分为4类：

只提供miniPCI-E:

多数主板属于此类。

miniPCI-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-H77NWIFI提供了一个miniPCI-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mSATASSD。

同时提供miniPCI-E与mSATA接口:

华擎Z77E-ITX同时具备mSATA（背面）与miniPIC-E（正面）插槽，论坛内的McLaren发过此型主板的开箱文展示:

正面的miniPCI-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/miniPCI-E：

微星Z77IA-E53（本站评测：

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。

mSATASSD的大小约为51mm*30mm，为全高miniPCI-E卡的长度。

miniPCI-E无线网卡多数为半高规格，约为27mm*30mm。

当然了，也不能排除有Intel3945这类全高规格的，不过半高规格还是占据了多数。

mSATA与miniPCI-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miniPCI-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miniPCI-E标准的

mSATA引脚定义

MiniPCI-E引脚定义