第3章
接口与协议

早期的计算机系统中并没有设置独立的接口部件，对外设的控制与管理完全由CPU直接承担。这在当时的外设品种少、操作简单的情况下是可行的，在嵌入式领域流行的单片机现在仍然保持着这种简单而集约的风格。然而，由于信息技术的飞速发展，计算机的应用越来越广泛，外设门类品种大大增加，且性能各异，操作复杂。因此，不设置专用接口已经无法满足工作需要。因为，CPU要向外设发送控制信号，包括设备的选定、设备启动、信息的转换、数据的装配与拆卸、地址的改变，以及检测和判断信息是否结束等，这些操作都由CPU按程序进行，而且每交换一次信息就需要按上述过程循环一次，直到所交换的信息完成之后，CPU才能做下一步的工作，效率非常低。其次，由于外设种类繁多，且每种外设提供的信息格式、电平高低、逻辑关系各不相同，因此主机对每一种外设都要配置一套相应的控制和逻辑电路，使得主机对外设的控制电路非常复杂，并且不易扩充和改变，这种结构极大地阻碍了计算机的发展。

为了解决上述矛盾，人们开始在CPU和外设之间设置简单的接口电路，后来又逐步发展成为独立的接口和设备控制器，把对外设的控制任务交给接口完成，这样就大大减轻了主机的负担，简化了CPU对外设的控制和管理。同时，有了接口之后，研制CPU时无须考虑外设的结构和特性。同样，研制外设时也不需要考虑它是同哪种CPU进行连接。这样，CPU与外设按各自的规律更新，促进了计算机技术的快速发展。

本章主要关注存储器与主机之间的接口，即主板和某类外设存储器之间的适配电路，其功能是解决主板和外设之间在电压等级、信号形式和速度上的匹配问题，不同类型的存储器需要不同的接口。在整个系统中，存储器接口的优劣直接影响着程序运行的快慢和系统性能的好坏；而协议定义了通信主体间的通信规则。在计算机系统中常用的存储器物理协议和接口包括以下几种。

1）IDE协议及接口：承载ATA协议。面向消费级，属于并行总线接口，最多连接两个设备。物理层速率比同时代的SCSI接口低，其定义了传输层到物理层。

2）SCSI协议及接口：承载SCSI协议，属于并行总线接口。在通常的理解中，SCSI是一种上层协议；但SCSI标准早期把上层协议一直到底层传输协议、网络层、物理层全给定义了。

3）SATA协议及接口：承载ATA协议。属于串行总线接口，每个通道只能接入一个设备，采用特殊的Mux可以复用多个设备。其定义了传输层到物理层。

4）PCI-E协议及接口：承载PCI-E传输协议，定义了传输层到物理层。用于存储系统时，一般直接承载NVMe协议，也可以承载SCSI协议。目前PCI-E设备侧连接器形态主要是标准插槽或者SFF8639（U.2）。

5）FC协议及接口：理论上可以承载任何上层协议，用于存储系统时则承载SCSI协议。分为FCAL和FC Fabric两种网络层拓扑，磁盘接入的是FCAL拓扑。为了满足企业级对可用性的要求，FC盘被作为双数据接口，接入两个成环器再各自上联到FC控制器上。其定义了传输层到物理层。

6）SAS协议及接口：承载SCSI协议，属于并行总线接口。目前速率为12Gbit/s，支持交换式组网、电路交换，不能成环。其定义了传输层到物理层。SAS和SATA的连接器看上去差不多，仔细观察会发现SATA连接器中间的缺口在SAS上是被补平的，其反面其实还有7根数据线，这就是企业级冗余所要求的双端口，这第二个数据口接入到第二个SAS控制器或者扩展器（Expander）上。

7）USB协议及接口：承载USB协议，属于串行总线接口，定义了传输层到物理层。支持级联连接，主要用来连接计算机与外围可插拔装置，其即插即用（Plug and Play）的功能使得不须经过繁复的安装程序便可任意将外围装置进行连接、配置、使用及移除。由于USB的弹性与容易使用，使得支持USB的外围装置包括鼠标、键盘、喇叭、调制解调器、扫描仪等各种不同的产品逐年增加，时至今日，USB接口已成为自COM port（串行端口）以后，计算机上最成功的外围连接接口。

8）eMMC协议及接口：没有连接器，直接从Flash颗粒管脚以贴片的方式与eMMC控制器的管脚相连，承载eMMC上层协议（与ATA/SCSI/NVMe处于同一个阶层）。底层物理层采用并行总线。eMMC与早期SCSI的做法类似，从顶层协议到底层物理层全都定义了一套自己的标准。其定义了表示层到物理层。

9）SDIO协议及接口：SDIO接口是由SD存储卡的接口信号——SD总线发展而来的，它在机械、电路、功耗、信号与软件上与SD存储卡完全兼容，但SDIO接口可扩展性更强，传输速度更快。

本章对前6种协议和接口进行介绍，后3种由于与Flash存储器件紧密相关则留在后面介绍。 Gc9zVqrBrLI6HEuMdU/nPb0aY/QKrvIOSpsVC+Vpgh2GzoD46BmwrznjxS2enTlu