M.2 比當(dāng)前的 Mini PCI Express （mPCIe）/Mini-SATA （mSATA） 標(biāo)準(zhǔn)更纖薄、更靈活，并沒有引入新的信號系統(tǒng)，而是允許通過多通道 PCI Express （PCIe） 增加數(shù)據(jù)吞吐量，并向后通過 SATA 和 USB 信號實現(xiàn)兼容性。在超極本、平板電腦和便攜式設(shè)備對高速、大容量存儲需求的推動下，M.2 節(jié)省空間的外形尺寸、向后兼容性和靈活性意味著它也將對嵌入式領(lǐng)域產(chǎn)生影響。

嵌入式客戶的獨特需求和要求使得在該領(lǐng)域采用 M.2 成為比在消費者方面更復(fù)雜的決定，但了解技術(shù)背景、其規(guī)格和優(yōu)勢可以幫助嵌入式 OEM 和系統(tǒng)設(shè)計人員制定現(xiàn)在做出正確的選擇，為未來做準(zhǔn)備。

mPCIe / mSATA

當(dāng)前這一代用于存儲和通用外圍設(shè)備的小型擴展模塊使用常見的 30 毫米 x 50.95 毫米 mPCIe 卡尺寸（圖 1）。mPCIe 最初是為筆記本電腦市場設(shè)計的，是 MiniPCI 的演變，是擴展卡的物理和電氣規(guī)范，允許通過小型化 PCIe 連接器實現(xiàn) Wi-Fi、無線廣域網(wǎng) （WWAN） 和其他附加功能。mPCIe 在消費類應(yīng)用中的廣泛采用、小巧的外形以及它對熟悉的 PCIe 總線的使用意味著它自然而然地成為了一種為工業(yè)和嵌入式系統(tǒng)添加功能的方便且節(jié)省空間的方式。

隨著筆記本電腦和移動設(shè)備對 SSD 的需求增長，2009 年引入了 mSATA 格式作為小型存儲設(shè)備，采用與 mPCIe 相同的物理外形和連接器以及小型化 SATA 接口。雖然外形尺寸和連接器在物理上與 mPCIe 相似，但 mSATA 卡在電氣上與 mPCIe 不同，并且需要 mSATA 主機支持才能運行?；诰媒?jīng)考驗的真正 SATA 存儲協(xié)議，mSATA 使制造商可以輕松實現(xiàn)小尺寸存儲，并迅速在客戶端領(lǐng)域采用。這些相同的因素使 mSATA 對于嵌入式系統(tǒng)存儲具有吸引力，如今它是消費和工業(yè)市場中最受歡迎的小型 SSD 格式之一。

mSATA 瓶頸

隨著客戶和企業(yè)市場追求更高容量的 SSD 和更高的吞吐量來匹配，高端 SSD 的性能瓶頸已成為限制在 600 MBps 的 SATA 協(xié)議。隨著 SSD 容量的增加，速度也會提高，即使 SATA III 提供的 600 MBps 也不足以滿足高性能應(yīng)用的需求。同時，mSATA 所基于的 mPCIe 外形尺寸在物理上限制了可以在一張 mSATA 卡上放置多少閃存。

M.2的潛力

在客戶 SSD 性能需求的推動下，M.2 被開發(fā)為具有前瞻性的小尺寸，以解決 mSATA 在使用高端 SSD 時遇到的問題。與使用現(xiàn)有物理標(biāo)準(zhǔn)的 mSATA 不同，M.2 在設(shè)計之初就考慮了閃存存儲。M.2 具有更薄的 z 高度和更小的占用空間以及更少的電路板面積浪費，比 mSATA 更??節(jié)省空間。M.2 模塊的長度范圍從 42 毫米到 110 毫米不等，并且有單面或雙面版本。這種物理規(guī)格的靈活性允許使用比 mSATA 更??高的 NAND 容量的節(jié)省空間的 M.2 附加卡和 M.2 SSD。

為了滿足高性能 SSD 的帶寬需求，選擇多通道 PCIe 作為高端存儲連接選項。SATA III 目前僅限于 600 MBps 的速度和單通道，而 PCI Express 可通過 M.2 擴展到四個通道。在當(dāng)前 PCI Express 2.0 速度為 500 MBps 的情況下，這意味著使用四通道 M.2 SSD 甚至可以使用新的 PCI Express 3.0 達到 2 GBps 的速度。同時，M.2 仍然支持 SATA 以及 USB。這種與現(xiàn)有信號的向后兼容性簡化了向 M.2 的遷移，因為它簡化了第一代 M.2 SSD（運行 SATA）和 Wi-Fi、GPS 和 WWAN 等外圍卡的實施。

物理接口

M.2 規(guī)范為擴展模塊定義了三個插槽。Socket 1 用于 Wi-Fi，Socket 2 用于 SATA 或 PCIe x2 SSD 以及通用擴展卡，Socket 3 用于 SATA 或高速 PCIe x4 SSD。母插座連接器在物理上限制了可以安裝的 M.2 卡。M.2 卡本身的連接器帶有缺口或“鍵控”到它們各自的功能。PCIe x2 SSD 可以鍵控以適應(yīng) Socket 2 和 Socket 3 連接器，但將以 PCIe x2 速度運行。

主機控制器接口

為了充分利用 M.2 的多通道 PCIe 速度，而不是在 M.2 物理接口上運行 SATA，需要一種新的存儲接口協(xié)議。作為一種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，高級主機控制器接口 （AHCI） 在操作系統(tǒng)和控制器級別享有廣泛的支持，但與 SATA 及其性能限制相關(guān)。為了解決這個問題，迄今為止，客戶和企業(yè) SSD 制造商已經(jīng)創(chuàng)建了自定義驅(qū)動程序來釋放多通道 PCIe 的帶寬潛力，但對于工業(yè)市場而言，這從成本和兼容性的角度來看是不可行的。

為了允許通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議通過 PCIe 高速訪問固態(tài)存儲，一個由 80 多家公司組成的工作組開發(fā)了 NVM Express （NVMe）。AHCI 是在旋轉(zhuǎn)介質(zhì)和相關(guān)的高延遲時代設(shè)計的，而 NVMe 已針對 SSD 和當(dāng)今多核處理器的隨機訪問特性進行了優(yōu)化。流線型存儲堆棧允許更高的吞吐量、更低的延遲、更好的每秒輸入/輸出操作 （IOPS） 和更低的功耗，因為更好的性能允許存儲設(shè)備在空閑時花費更多時間。

NVMe 的優(yōu)勢、開放規(guī)范和行業(yè)支持表明它可能會成為未來的客戶端存儲協(xié)議，但即使在客戶端空間中采用也需要時間。NVMe 作為一種全新的存儲協(xié)議，不兼容 AHCI，需要系統(tǒng)和軟件層面的支持。作為高效訪問 SSD 的標(biāo)準(zhǔn)，NVMe 允許以原生 PCIe 速度運行的非專有固態(tài)存儲，但在發(fā)生巨變之前，SATA/AHCI 將繼續(xù)提供可靠性、性能和兼容性的最佳組合嵌入式應(yīng)用程序。

嵌入式空間中的 M.2

M.2 作為小尺寸規(guī)格的優(yōu)勢不僅在于其對下一代高性能 SSD 的潛力，還在于其向后兼容性。在通過多通道 PCIe 支持高性能 SSD 的同時，M.2 還支持 SATA、USB 和單通道 PCIe。隨著 NVMe 等待市場采用，基于 SATA 的第一代 M.2 存儲卡和 M.2 外圍卡可以讓空間受限的系統(tǒng)受益于更小、更靈活的外形以及 SATA 的可靠性和兼容性。

對于一般嵌入式應(yīng)用，mSATA 和 mPCIe 不會很快出現(xiàn)。工業(yè)應(yīng)用具有適度的性能需求，而是強調(diào)可靠性和一致性。即使對于性能驅(qū)動的系統(tǒng)，近期的價值主張也是微不足道的，因為 M.2 SSD 的全部性能優(yōu)勢需要 NVMe 支持或?qū)Ｓ序?qū)動程序才能實現(xiàn)原生 PCIe 速度。在嵌入式應(yīng)用程序能夠享受這種性能水平之前，存儲環(huán)境需要時間來支持 NVMe，因此當(dāng)前一代的 M.2 SSD 可能比嵌入式領(lǐng)域的 mSATA 模塊更難賣。同時，mPCIe 目前為通用嵌入式外圍設(shè)備（如顯卡或 Wi-Fi 模塊）提供了足夠的帶寬。

M.2 的嵌入式未來

M.2 在尺寸和容量方面的直接優(yōu)勢以及 NVMe 在功耗和性能方面的潛在優(yōu)勢意味著嵌入式 OEM 和系統(tǒng)設(shè)計人員需要了解這種新興格式，但在 M.2 生態(tài)系統(tǒng)成熟之前，其當(dāng)前的對嵌入式和工業(yè)市場的影響將僅限于空間最受限的應(yīng)用。隨著 M.2 物理接口和 NVMe 主機控制器接口支持的廣泛采用，M.2 接下來將影響對性能敏感的嵌入式應(yīng)用，但大多數(shù)工業(yè)嵌入式系統(tǒng)的可靠性和魯棒性要求意味著 mSATA/mPCIe 仍將是小型形式未來幾年大多數(shù)工業(yè)解決方案的選擇因素。

審核編輯：郭婷