請SSD基本工作原理

從主機PC端開始，用戶從操作系統(tǒng)應用層面對SSD發(fā)出請求，文件系統(tǒng)將讀寫請求經驅動轉化為相應的符合協(xié)議的讀寫和其他命令，SSD收到命令執(zhí)行相應操作，然后輸出結果，每個命令的輸入和輸出經協(xié)議標準組織標準化，這是標準的東西，和HDD無異，只不過HDD替換成SSD硬件存儲數據，訪問的對象變成SSD。

圖1-13 SSD系統(tǒng)調用

SSD的輸入是命令（Command），輸出是數據（Data）和命令狀態(tài)（Command Status）。SSD前端（Front End）接收用戶命令請求，經過內部計算和處理邏輯，輸出用戶所需要的數據或狀態(tài)。

從圖1-13可以看出，SSD主要有三大功能模塊組成：

1. 前端接口和相關的協(xié)議模塊；

2. 中間的FTL層（Flash Translation Layer）模塊；

3. 后端和閃存通訊模塊。

SSD前端負責和主機直接通訊，接收主機發(fā)來的命令和相關數據，命令經SSD處理后，最終交由前端返回命令狀態(tài)或數據給主機。SSD通過諸如SATA、SAS和PCIe等接口與主機相連，實現(xiàn)對應的AHCI、SCSI和NVMe等協(xié)議。

表1-1 SATA/SAS/PCIe接口協(xié)議

我們看看SSD是怎么進行讀寫的。

主機通過接口發(fā)送寫命令給SSD，SSD接收到該命令后執(zhí)行，并接收主機要寫入的數據。數據一般會先緩存在SSD內部的RAM中，F(xiàn)TL會為每個邏輯數據塊分配一個閃存地址，當數據湊到一定數量后，F(xiàn)TL便會發(fā)送寫閃存請求給后端，然后后端根據寫請求，把緩存中的數據寫到對應的閃存空間。

由于閃存不能覆蓋寫，閃存塊需擦除才能寫入。主機發(fā)來的某個數據塊，它不是寫在閃存固定位置，SSD可以為其分配任何可能的閃存空間寫入。因此，SSD內部需要FTL這樣一個東西，完成邏輯數據塊到閃存物理空間的轉換或者映射。

舉個例子，假設SSD容量為128GB，邏輯數據塊大小為4KB，所以該SSD一共有128GB/4KB = 32M個邏輯數據塊。每個邏輯塊都有一個映射，即每個邏輯塊在閃存空間都有一個存儲位置。閃存地址大小如果用4字節(jié)表示，那么存儲32M個邏輯數據塊在閃存中的地址則需要32M*4B = 128MB大小的映射表。

正因為SSD內部維護了一張邏輯地址到物理地址轉換的映射表，當主機發(fā)來讀命令時，SSD能根據需要讀取的邏輯數據塊，查找該映射表，獲取這些邏輯數據在閃存空間所在位置，后端便能從閃存上把對應數據讀到SSD內部緩存空間，然后前端負責把這些數據返回給主機。

由于前端接口協(xié)議都是標準化的，后端和閃存的接口及操作也是標準化的（閃存遵循ONFI或者Toggle協(xié)議），因此，一個SSD在前端協(xié)議及閃存確定下來后，差異化就體現(xiàn)在FTL算法上了。FTL算法決定了性能、可靠性、功耗等SSD的核心參數。

其實，F(xiàn)TL除了完成邏輯數據到閃存空間的映射，還需要做很多其它事情。

前面提到，閃存不能覆蓋寫，因此隨著用戶數據的不斷寫入，閃存空間會產生垃圾（無效數據）。FTL需要做垃圾回收（Garbage Collection）以騰出可用閃存空間用以寫用戶數據。

圖1-14 垃圾數據回收

以圖1-14為例，在Block x和Block y上有很多垃圾數據，其中Block x上A,B,C為有效數據，Block y上D, E,F,G為有效數據。垃圾回收就是把一個或者幾個Block上的有效數據搬出來集中寫到某個空閑Block （比如Block z）。當這些Block上的有效數據都搬走后，F(xiàn)TL便能擦除這些Block，然后這些Block又能拿出來供SSD寫入新的數據了。

還有，閃存都是有壽命的，每個閃存塊不能一直寫數據，因此，為保證最大的數據寫入量，F(xiàn)TL必須盡量讓每個閃存塊均衡寫入，這就是磨損平衡（Wear Leveling）。

除此之外，F(xiàn)TL還需要實現(xiàn)壞塊管理、讀干擾處理、數據保持處理、錯誤處理等等其它很多事情。理解了FTL，SSD的工作原理也就掌握了。關于FTL，本書有專門章節(jié)介紹，讀者可自行跳到第四章閱讀。

1.2 SSD產品核心參數

用戶在購買SSD之前，會關注它的一些參數指標，比如能跑多快、用的是什么閃存等等。特別是企業(yè)級用戶，需要全方位研究SSD的核心指標，解決關注什么指標，如何關注，競爭產品對比這些問題，最終逐一撥開產品內在本質。本節(jié)以SSD產品為例，帶大家一起解讀SSD產品的核心參數。