2021-4-22 00:33:49 [显示全部楼层]
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[动态] Lattepanda M.2(A+E Key)转 SATA3.0 扩展卡 云评测+基础知识

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本帖最后由 pATAq 于 2021-4-22 00:48 编辑

前言

原创文章,转载引用请务必注明链接,水平有限,如有疏漏,欢迎指正。
今天在群里看到粒子说最近芯片短缺,一些商品即将涨价,于是我赶紧打开商城,发现上架了一些新东西,其中就有这个扩展卡,因为对 LattePanda 的 M.2 接口是有些困惑的,于是想知道这款扩展卡到底如何,还没入手,先从硬件资料上云评测一番,顺便介绍一些基本知识。

产品链接:https://www.dfrobot.com.cn/goods-3098.html

1、M.2 接口介绍与 3 块开发板对比

M.2 (Next Generation Form Factor, NGFF)接口支持多种通信协议,如 SATA、PCIe、USB、HSIC、UART、SMBus 等,用于取代原来的mSATA接口。具有速度更快,尺寸更小的特点。根据 M.2 接口的金手指缺口位置,区分为不同的 Key。此外M.2 还有不同规格,如2280/2242/2230 等,常见的固态硬盘规格为 2280,代表 22 x 80mm。目前常见的产品都是 PCIe3.0 规格、M.2接口的 NVME/SATAIII 协议的固态硬盘、SATA 接口 SATAIII 协议的机械硬盘以及 USB3.0 接口。

图 1. 不同接口的固态硬盘, mSATA(右图)尺寸较大,引脚布局仅有一种。M.2 更加细长,左图为 M Key 和 M&B Key(金手指缺口位置)。Source

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图 2. 不同的 M.2 Key,上图即为 LattePanda Delta 板载的两个 M.2 接口,猜猜看分别是什么 Key ?

除了本文要介绍的 LattePanda Alpha 和 Delta,我还会把深圳矽递公司 (Seeed Studio) 的 Odyssey x86 开发板(下文称 Odyssey)作为对比。他们的板载 M.2 接口情况如下表所示。

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图 3. 三块开发板,从左至右依次为 Alpha、Delta、Odyssey-x86,Odyssey 额外板载有一个 SATA 和 三个硬盘电源接口位于图中左下角。

型号 CPU 支持的 PCIe 规格 PCIe 最大通道数 M.2 M Key E Key B Key
Alpha 酷睿 M3-8100Y 3.0 10 PCIe 3.0 × 4 PCIe 3.0 × 2
Delta 赛扬 N4100 2.0 6 PCIe 2.0 × 2 PCIe 2.0 × 2
Odyssey 赛扬 J4105 2.0 6 PCIe 2.0 × 4 PCIe 2.0 × 2
  • 不同于 Delta 和 Odyssey,LattePanda Alpha 配备了更高端的酷睿处理器,支持 PCIe3,从而每条通道比前两者快约 1倍,具体见下文,由此想要使用外置显卡(eGPU)的玩家,应将显卡接到拥有 4条通道的 M_Key 上,以期获得相对好一些的性能。
  • 常见的 M.2 接口的固态硬盘采用 M和或B Key,Odyssey 也是如此提供了这两种规格;甚者如我的微星 B450 主板就只有 M.2 M Key 接口。而 LattePanda 提供的是 M 和 E Key,EKey 可能是留给一些特殊的设备使用。
  • 常见的 SATA 转接板也是 M/B Key,A/E Key 的不多见。
  • 和计算机常用的二进制不同,存储设备多使用十进制,即 1GB = 1000MB。

小结:

这块转接板可以用在 Alpha/Delta 上,无法用在 Odyssey-x86 以及常见的电脑主板上。当然,你也可以自行购买采用 M Key 的转接板,从而获得更好的通用性。关于三款处理器的更多规格对比可以移步 Intel 产品规范数据库

拓展知识:

mSATA 接口用于连接 mSATA 接口的硬盘,采用和 mPCIe 相同尺寸和引脚布局,后者可以连接更多设备。一般来说,mPCIe/MSATA 要比 M.2 尺寸大,购买数码产品的时候请核对主板和设备接口是否对应。

—— What’s the Difference Between mPCIe and mSATA?

2、转接板硬件规格

一款产品有多大能耐,多由其主芯片决定。从模糊不清的图片上,我们隐约看到主芯片是 JMB582,搜索可知为台湾智微科技(JMicron)2019年出品的 PCIe-SATA 桥接芯片,同时发布的还有 JMB585。查询其 数据手册,可以看到它的主要特性如下:

  1. 有12个可配置的 GPIO 引脚
  2. 支持 PCIe 3.1a 和 SATA 3.2 技术规格
  3. 仅支持1条 PCIe 通道,向下兼容 PCIe 2.x ;JMB585 支持 2 条 PCIe 通道
  4. 支持2个 SATA 接口和相关诸多特性

不同版本 PCIe、SATA 及 USB 接口的传输速率如下表:

image-20210421211221120

那么在实际使用过程中,性能由整条线路中的短板限制,最典型的短板如家庭千兆网络中的百兆网线。这里我们要考虑传输速率适配的问题,我设想了两种方案,并进行对比:

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2.1 Plan A:M.2(A+E Key)转 SATA3.0 扩展卡

即为图中 黑色路径1,使用该转接卡。

  1. PCIe3 向下兼容 PCIe2 版本,SATA III 向下兼容 SATAII 版本,前者速度约为后者的两倍
  2. 瓶颈:无论 Alpha 还是 Delta 的 EKey,都提供了 2条 通道的 PCIe,但是本转接卡仅支持 1条 通道(1 Lane),也就是限制了传输带宽。除非使用 JMB585 芯片的转接卡,但是价格贵了一倍左右。

理想的搭配方式如下:

  1. Alpha 的 PCIe31 (984MB/s)* 搭配 SATAIII 硬盘(600MB/s) × 2
  2. 瓶颈:Delta 的 PCIe2 1 (500MB/s)* 搭配 SATAII 硬盘(300MB/s) × 2 或者 SATAIII 硬盘(600MB/s) × 1

由于我手头的是 Delta,所以使用该转接卡时会存在瓶颈,限制了性能的发挥。那么对比另一种常见的 USB易驱线 方案怎么样?

2.2 Plan B:USB3.0 易驱线

即为图中 橙色虚线2,使用 USB3.0易驱线。常见的芯片包括 ASMedia ASM1153E 或者 JMicron JMS578 ,传输速率达到 6Gbps(SATAIII),缺点是一根易驱线只能连接一块硬盘。

参考阅读:ASMedia ASM1053E和ASM1153以及JMicron JMS578 常见的USB桥接方案评测

以上是 易驱线的使用方法,USB3.0 搭配 SATAIII 的硬盘,过程中基本不会出现大的性能瓶颈。与此同时,我们意识到一些问题:

  1. 3.5寸硬盘(台式机硬盘)需要 12V 供电驱动电机,2.5寸(笔记本硬盘)需要 5V 供电驱动电机。
  2. LattePanda/电脑上的 USB 接口(常见的为蓝色 USB 3.0 母头)输出电流必须要满足硬盘的满载电流需求。
  3. Odyssey 有 12v 输入和三个 SATA 电源接口(据说支持 12V 输出)。
  4. LattePanda 板载没有 12V 输出,无法直接使用 3.5寸硬盘。更大的问题是,板载没有预留 SATA 电源接口!

USB接口的电力输出能力

从前面的表格可以看到,USB 2.0 最大输出电流为 500mAUSB 3.0 最大输出电流为 900mA,专用供电接口可以输出 1500mA 电流。这让我想起来树莓派 2代的一个参数:max_usb_current,开启后可以提升 USB 接口的输出电流,但实际上它提升的是 4个 USB 接口的总电流,而每个接口输出最高仍是 500mA,参考

除此之外,Delta 和 Alpha 还有一个全功能 Type-C with Power Delivery (PD) 接口,它的输出电流最大应该是 3A,有待确认

图 4. USB接口的电力输出能力 (Source:embedded.com)

2.5寸硬盘的电力需求

个人用过西部数据(Western Digital)、日立(HGST)、希捷(Seagate)的硬盘,感觉日立的寿命最长,目前在用都是 WD 的硬盘,以此为例,分别查找其官网的 数据手册 ,以 Green、Blue、Black 系列为例,Red 系列用于 NAS 存储,多是 3.5寸,排除在外。

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咦,看起来好像还不错。但是我手头的一块2.5寸西数蓝盘,型号 WD2500BEVT,SATA II,5400rpm,赫然写着需求电流 0.55A(下图仅作参考)。实际上,当年配合树莓派 2B 使用时,也出现了不稳定的情况。不过到了 USB3.0 时代,相信这种 USB 易驱线已经比较稳定了,并且可以达到和转接卡相近甚至略超过之的传输性能。

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拓展:西部数据硬盘 篇一:绿盘、红盘、蓝盘、紫盘、黑盘和金盘的区别

3、本转接卡的供电问题(重要)

在对比 Odyssey 和易驱线的过程中,我们突然发现一个严重的问题,SATA 硬盘是需要数据线和供电线的,此转接卡仅提供数据传输功能,没有供电功能,而 LattePanda 没有像 Odyssey 那样预留 SATA 电源接口,询问客服之后,被告知供电只能自己想办法。。。

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图 5.  SATA 硬盘有数据传输和供电接口,最左边的4根针是跳线,用于设置硬盘,一般用不到。

只要信心不滑坡 办法总比困难多

pinoutguide.com 网站可以找到 SATA 接口的 数据传输供电引脚  的介绍。思索了一下,我又设想了两种方案:

Plan A:使用 LattePanda 的引脚取电

因为 LattePanda 只有 5V 输出,所以想要使用 3.5寸的硬盘就要外接供电。这里可以找两个 5V 输出的引脚,买一根 SATA电源线,手动改造。但是不知道 LattePanda 的引脚最大输出电流,有待咨询工程师。

Plan B:使用 USB 接口取电(Type-A & Type-C)

这个比较保险,taobao 上有现成的线材购买。从前文可知:

  • USB 2.0 勉强可以带动一块机械硬盘。
  • 由于两块硬盘一般不会同时达到峰值电流,USB 3.0 差不多可以带动两块机械硬盘,自己动手改动并联以下就 OK 了。不过 USB3.0 和 USB 2.0 的供电引脚是否不同?
  • 至于 Type-C 接口,理论上供电满足了,但是需要额外购买拓展坞,而且需要从机和主机通过 PD 协议协商才能正常取电,是不是对线材也有要求?这个有兴趣的可以探讨一番。

拓展:

Odyssey 有后发优势,设计时考虑了外接 SATA 硬盘的应用场景,所以预留了供电接口,这点要比 LattePanda 好一些。不过 Seeed Studio 的产品一如既往的恶心人,3个 供电接口仍然不是常见通用的 大D 4Pin接口。

4、蜜汁操作

DFRobot 的转接板 99元不包邮,taobao 乐扩的转接板 75元包邮,不过从产品图上看,DF 的产品做工用料更好,但是图文介绍里两者图片一样,所以啥情况。。。不过客服告诉我,以左上方产品图为准。

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图 6. 两者右上角电感不同,焊接质量也不同。不过 DFRobot 的转接板,一个页面出现两种产品图片,也很谜。

结论

  • LattePanda Alpha 使用该转接板可以发挥两个 SATAIII 硬盘的性能,性价比高,瓶颈不明显。

  • LattePanda Delta 或者是其他只支持 PCIe2 的设备,使用该转接卡可能无法达到预想的传输速率,但是基本够用。

  • SATA 供电是个问题

  • 如果使用 M.2 M Key 的转接板,通用性更好

  • SATA 协议相比 NVME 协议的硬盘,传输速率不在一个数量级,所以该转接卡的应用场景多是为了更稳定,更便宜的机械硬盘组建 NAS 存储之用。

进一步阅读

Cain  6 初级技匠

发表于 2021-4-22 10:25:34

说得好详细,赞一个
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