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30年硬盘接口技术变迁

硬盘作为我们如今计算机中一个相当重要的存储设备，虽然由于其发展缓慢导致性能低下而一直备受诟病，但是不可否认的是它也一直经历着技术的变迁。事实上自1973年IBM推出第一款采用“温切斯特”技术的硬盘以来，这种传统的机械式硬盘在结构上一直没有太大变化。

“温切斯特”技术的精髓就是采用密封固定的高速磁盘，磁头在盘片上悬浮高速地移动而不与之接触。但是随着盘片转速的不断升高、磁头盘片技术的不断改进、缓存容量的不断增大，最重要的是容量的提升，使今天的主流3.5英寸硬盘的接近100MB/s的传输速度应付普通应用依然不存在问题，这也是为什么这种硬盘一直沿用至今的一大主因。

然而除了硬盘内部的改进以外，作为数据的流动媒介，硬盘的接口在这里也起到着至关重要的作用。不要认为现在最新的SATA 6.0Gbps接口对机械硬盘是一种无用功而认为接口技术不重要，早期的硬盘接口饱受着传输速率底下以及可靠性不佳等问题的困扰，随着时间的推移，接口技术到今天也越来越成熟。

今天笔者就和大家一起回顾一下硬盘的接口的发展，让我们一边回顾历史，一边也对硬盘的接口技术做一些了解。

引领硬盘发展 希捷ST506/412

希捷在1980年推出的名为ST-506的5.25英寸硬盘所采用的接口可以说是最早的接口类型。这款硬盘的最大容量为5MB，而和其类似的容量为10MB的ST-412在1981年推出。同时他们都采用了MFM（Modified Frequency Modulation）编码方案，编码器位于控制卡当中。

ST－506接口拥有一个控制卡和两根导线，另有一根导线用于供电。其中34个针脚用于控制信号、20针用于数据传输，而且使用起来是非常方便的，但是这种接口所能支持的传输速度很低，因此到了1987年左右这种接口就基本上被淘汰了，采用该接口的老硬盘容量多数都低于200MB。

事实上ST-506是由Shugart Associates的SA1000接口演变而来的，这种接口最初用在一种软驱的接口上，这也使得ST-506的设计变得简便一些。当然，正如采用SA1000接口的软驱一样，ST-506为微型计算机设定了一种标准，后来还被应用到了企业系统当中。其中IBM就采用这种硬盘用于PC/AT系统当中，这也逐渐使得希捷成为硬盘的领导者。

虽然ST-506接口的理论传输速率不超过7.5Mbps，但后来更高容量的ST-506采用了Adaptec的SCSI接口，这种接口到今天还在使用。虽然ST-506并非一款“智能”的硬盘，但是他对其他相关产品的发展起到了至关重要的作用。

取代ST-506 迈拓制定ESDI

作为希捷的知名竞争对手迈拓公司于80年代初研发出了ESDI接口，全称Enhanced Small Drive Interface，这种硬盘的编码器位于其硬盘之中，而不是在控制卡上。这种接口所用的连线与ST-506相同，都是34针控制线和20针的数据线，因此可以方便地从ST-506升级过来。

ESDI在80年代的中后期是非常流行的，此时也正是SCSI和ATA的萌芽时期，毕竟ST-506在速度和易用性方面已经无法胜任当时的应用。ESDI接口所能提供的数据传输速率可以达到10～20Mbps，而当时的许多高级的SCSI接口设备实际上就是在ESDI的基础上加入了SCSI的桥接芯片而来的。

到了1990年，SCSI取代了ESDI成为了多种高数据传输率设备的接口标准，而ATA则取代ST-506在桌面级市场上独树一帜，这两点促使了ESDI接口的使用逐渐减少。到了90年代中期，ESDI接口几乎不再使用

新的规范 并行ATA的诞生

相信大家对IDE接口还是比较熟悉的，毕竟这种接口活跃于90年代中后期到21世纪初这十余年间中。而且从IDE开始，硬盘的接口技术开始走向了规范化的道路，这其中有不少公司为之付出过努力，包括英特尔、希捷、迈拓、西部数据。实际上IDE就是指并行ATA（Parallel AT Attachment）接口，即PATA。当然PATA也可以用于硬盘、固态硬盘、软驱以及光驱等等。

ATA的首个版本（IDE或ATA-1）于1994年问世，ATA-1支持一个主设备和一个从设备，支持3种PIO（程序化输入输出）模式和4种DMA（直接内存存取）模式。由于ATA-1不支持LBA（逻辑区块）寻址模式，导致这种接口支持的最大硬盘容量仅为504MB。另外一点就是采用ATA-1接口的硬盘均为5英寸，而并非后来主流的3.5英寸。

事实上在整个IDE（PATA）的发展过程中，我们最不该忘记的就是西部数据公司，因为西部数据制定了EIDE接口，虽然EIDE接口是对ATA-1的扩展，但是在这之后的所有IDE（PATA）接口几乎都是基于EIDE不断发展而来，EIDE的作用显然非常突出。

有一点需要清楚的是，IDE的全称为Integrated Drive Electronics，也就是说把控制器的盘体本身一同集成在一起，组成硬盘驱动器。这样做好处多多，不仅减少了电缆数目的长度，增强输出传输的可靠性，同时兼容性也得到保证，同时用户在安装硬盘时更加方便。

20世纪末ATA技术的不断发展

我们把话题回到EIDE，EIDE也被称为ATA-2或者是Fast ATA，于1996年问世，它增加了2种PIO和2种DMA模式，支持的最高传输速率为16.6MB/s，同时终于引入了LBA寻址模式，可以支持的最高硬盘容量为8.1GB。从这一标准开始，硬盘的尺寸减小到3.5英寸并一直沿用至今。

在支持EIDE接口的主板上，一般会提供两个接口，每个接口也可分别连接一个主设备（Master）和一个从设备（Slave）。这种主从设备的区分也让不少初级DIY玩家而烦恼，一旦接反，会对性能产生较大影响。而之所以ATA-2有这么多种命名方式，完全是不同厂商的说法不一而导致的。

作为ATA-2的后即者，1997年推出的ATA-3变化不大，没有引入更高速度的传输模式，最高速度仍然为16.6MB/s，但是改进了电源管理方案以及简单的密码保护的安全方案。最重要的是ATA-3引入了S.M.A.R.T技术，相信很多人对这项技术都非常熟悉，这项技术可以让硬盘自我检测，并将错误报告给BIOS。

Ultra ATA：并行ATA的最后春天

1998年制定的ATA-4引入了全新的传输模式，同时也启用了新的命名方式，我们可以叫做ATA/ATAPI-4，当然更常用的则是Ultra ATA/33，顾名思义可以达到33MB/s的传输速度。当然从1998年到2001年还经历了Ultra ATA/66、Ultra ATA/100以及Ultra ATA/133，虽然后者是首次在硬盘接口速度上突破100MB/s的标准，但是只有迈拓一家在使用，因为这个时候很多厂商已经开始转入更高级的SATA（串行ATA）接口。

ATAPI的意思是指附加设备包接口，因为它还可以连接光驱等其他存储设备。同时CRC（循环冗余校验）等功能，主要用于系统与硬盘之间数据传输时保证其安全性和可靠性。Ultra ATA/33同时支持40针和80针的IDE数据线，不过在2000年制定的Ultra ATA/66中则要求必须使用80针IDE数据线，以不至于产生太大瓶颈。

值得注意的是，新规格的IDE接口是可以向下兼容的，在当时接口规格不断攀升的同时，这一点十分重要。Ultra ATA/100在传输速率达到100MB/s的同时，还将LBA的寻址能力从28位增加到了48位，同时还加入噪音管理功能，使得整个硬盘的规格趋于完整，沿用了很长一段时间。

对于刚刚提到的Ultra ATA/133，于2001年7月由迈拓提出。事实上，之所以这种并行ATA接口在发展到Ultra ATA/133时而终结，其原因则是因为并行传输的瓶颈所导致。数据传输的速度越快，频率越高，信号间的干扰就会越严重，毕竟并行传输要求线路上的数据保持同步，否则就会出现反复读取的现象，影响传输性能。这也促使了串行ATA（SATA）的出现。

SATA的引入大幅增强易用性

SATA1.0标准在2001年由英特尔、APT、DELL、IBM、希捷以及迈拓等在当年的IDF大会上共同制定，虽然SATA采用串行的传输方式，一个周期内传输的数据包没有PATA方式多，但是正是由于这种串行传输的方式，使得其信号干扰小，可以达到更高的传输频率，同时更有利于散热，而且SATA硬盘没有主从之分，成本较低，还支持热插拔，使用户更容易使用。

SATA标准在数据的可靠性方面也得到了进一步加强，它可以同时对指令和数据进行CRC校验，相比之下PATA只能对传输的数据进行校验，而无法对指令进行。SATA1.0版本可以提供1.5Gbps的带宽，高于Ultra ATA/133的水平。

Serial ATA采用七针数据电缆，主要有四个针脚，第1针发送信号，第2针接收信号，第3针供应电源，第4针为地线。最长可以达到1米，而并行ATA最长40厘米，重要是不会在出现因过多的引脚而是针会变弯或断针的现象，Serial ATA插接简单，还大大改善了机箱的通风条件。

机械硬盘已无法再提升

SATA2.0也被称为SATA 3Gb/s，于2005年推出，改标准除了将外部的传输速率增大到理论3.0Gbps以外，更重要的是引入了NCQ技术。不过这个时候接口的提升已经无法再为硬盘的性能提升做出贡献，机械硬盘的在寻道等方面的瓶颈逐渐凸显出来，只是具备大缓存的硬盘可以有着更高的突发速率，此外并没有带来太多好处。

事实上NCQ技术的引入应该说为机械硬盘的磁头的旋转方式进行了优化，NCQ技术能够通过改善磁头的读写顺序，在最短的时间内进行寻址，而不必来回移动，以此增加性能和寿命。不过NCQ功能需要南桥芯片的支持，我们必须在BIOS中开启这一模式，同时操作系统也要集成对应的SATA驱动。

目前我们市场上能够买到的大部分硬盘依然采用SATA2.0接口，最新的SATA3.0规范对于传统硬盘来说更是毫无意义，用户并不会过多关注SATA3.0的其他特性，新的NCQ指令，改进的电源管理等，即便是希捷和西部数据对待这一接口技术也相当低调。

内部和外部速率共同制约与发展

从现在来看，进一步增强传统机械硬盘的性能的方法无非有两点，优化工作方式以及增大密度，NCQ和垂直记录技术的引入就是最好的例子。提升转速以及组建RAID并不适合普通用户。不过密度和单碟容量的增大随之而来的是寻道时间的增加，而且密度也并非没有极限。

然而无论怎样，接口技术的发展对今天的机械硬盘的发展起到了至关重要的推动作用。10年前几乎没有人能够想象2TB硬盘是什么样，相信今天的我们也无法想象10年后接口技术会发展到什么程度。

不过，硬盘内部的传输速率和外部接口速率之间的矛盾永远也不会停止，瓶颈永远不会消除。只要电子工艺技术的发展没有遭遇极限，硬盘技术的发展将永远处于春天时期。

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