全面理解SSD和NAND Flash
總體思路
1.NAND Flash的用途。
2.NAND Flash規則介紹。
3.SSD固件(Firmware，FW)包括：映射表(Mapping Table)、垃圾回收(Garbage Collection)、磨損平衡(Wear Leveling，WL)等。
4.補充概念：寫入放大(Write Application)、預留空間(Over Provisioning)、Flash壽命(Program/Erase Count，P/E)等。
5.斷電保護機制。
6.對SSD的評價標準：穩定性、性能、壽命。
1、NAND Flash的用途
HDD是指機械硬盤，是傳統普通的硬盤，包括：盤片、磁頭、磁盤旋轉軸及控制電機、磁頭控制器、數據轉接器、接口、緩存。
SDD(Solid State Drives)是固態硬盤，包括：控制單元、存儲單元(DRAM芯片/FLASH芯片)。
區別：HDD是機械式尋找數據，所以防震遠低于SSD，數據尋找時間也遠低于SSD。SSD(左圖)和HDD(右圖)的模樣區別如下：
(圖片來自百度)
Flash又分NAND Flash和NOR Flash：NOR型存儲內容以編碼為主，其功能多與運算相關;NAND型主要功能是存儲資料，如數碼相機中所用的記憶卡。
現在大部分的SSD都是用來存儲不易丟失的資料，所以SSD存儲單元會選擇NAND Flash芯片。這里我們講的就是SSD中的NAND Flash芯片。
2、NAND Flash的規則
(1)Flash都不支持覆蓋，即寫入操作只能在空或已擦除的單元內進行。
更改數據時，將整頁拷貝到緩存(Cache)中修改對應頁，再把更改后的數據挪到新的頁中保存，將原來位置的頁標記為無效頁;
指定在已有無效數據的位置寫入時，需要先擦除無效頁才能在該位置寫入新數據。
(2)以page為單位寫入，以Block為單位擦除;擦除Block前需要先對里面的有效頁進行搬遷。
(3)每個Block都有擦除次數限制(有壽命)，擦除次數過多會成為壞塊(bad block)。
3、SSD固件內容
(1)映射表 Mapping Table
邏輯地址：用戶程序中使用的相對地址;
物理地址：實際存儲單元的絕對地址;
所以，映射表里面存儲的內容是邏輯地址到物理地址的映射信息，利用邏輯地址查詢映射表，找到對應的物理地址，再對實際存儲單元做讀寫訪問。
SSD內部就維護了一張映射表;一般SSD內部會板載DRAM，用于存儲程序運行的臨時數據，斷電會丟失;映射表存放在SDRAM中(方便快速訪問)，同時NAND Flash中會存儲幾份映射表(防止斷電后映射關系丟失)，而且會定期對NAND Flash中的映射便進行更新。
(2)垃圾回收 Garbage Collection
垃圾回收就是把幾個Block中的有效數據集中搬移到新的Block上去， 然后再把這幾個Block擦除掉。
垃圾回收機制有很多，都是根據不同的側重點提出的，所以沒有最優的算法，就像伴侶一樣只有適不適合之說。如：Greedy算法，每次選擇包含最少有效頁的Block來回收，也就是對垃圾的貪心，每次盡可能回收最多的垃圾。還有Cost-Benefit算法(考慮Block的擦除次數)、Cat回收算法、CICL算法等。
另外有兩種回收策略：
被動回收策略：當有寫入請求的時候，首先判斷當前可用空間大小與臨界值大小的比較;如果空間足夠，直接寫入空閑空間;如果空間不夠了，首先啟用垃圾回收，再往空閑區域完成寫入請求。
不足之處：當空間不夠的時候寫請求會被延遲。
主動回收策略：通過固件設定周期性任務，定時檢查可用空間大小，如果需要就執行垃圾回收。
巧妙之處：利用空閑時間提前進行垃圾回收，避免對請求造成不必要的延時。
不足之處：倘若系統一直沒有空閑時間，垃圾回收依舊無法有效執行。
(3)磨損平衡 Wear Leveling
每個Block都是有壽命(Program/Erase Count，P/E值)的，他們的擦除次數是有限的。NAND Flash的壽命類似“木桶原理”，取決于所有Block中的最小壽命。如果拼命對某一塊進行擦除，NAND Flash的壽命將會被縮減到最小。所以引入了磨損平衡，平衡所有Block的擦除次數。
有很多不同的磨損平衡機制，大體可以分為兩大類：動態WL、靜態WL。
動態WL：使用Block進行擦寫時，優先挑選P/E值低的Block。
動態WL：把P/E值低的Block中的數據挪到P/E值高的Block中存放。
4、補充概念
(1)寫入放大 Write Application
寫入放大倍數 = 閃存寫入數據量 / 主控寫入數據量 = 實際寫入數據量 / 要求寫入數據量
例如，現在有一個寫入一頁的請求;即主控寫入數據量為1;
然而這個一頁請求觸發了垃圾回收，當前的寫請求會被延遲，直到垃圾回收完畢后再執行寫入操作;
如果垃圾回收只挪了5頁有效數據，那么實際的寫入量應該為6頁(1頁寫請求，5頁挪動);即閃存寫入數據量為5;
所以寫放大為5/1 = 5。
理想的寫放大為1，但是Sandforce的數據寫入時會進行壓縮寫入，最優情況下，寫放大可以為0.5，打破了Intel的“寫放大不可能小于1”之說。
(2)預留空間 Over Provisioning
通過垃圾回收的過程，不難知道，垃圾回收的前提是要提供空閑區域來拷貝，如果連空閑區域都沒有，垃圾回收將無法執行，這時將不再支持任何數據的寫入。為了避免這種情況的發生，提出了預留空間。
預留空間不僅僅只是用來保證垃圾回收的正常完成，還存儲著SSD內部的系統數據(包括：出廠壞塊信息、SSD固件、Mapping Table等)。
所以如果說明存儲大小為256GB，實際上的存儲空間可能只有238GB(一般預留空間為7%)。
另外，OP越大，垃圾回收就會越快，相應寫放大會變小，所以讀寫性能就會越好;但用戶能使用的空間會被縮小。
(3)Flash壽命 Program/Erase Count
前面也已經提及到了，每個Block都是有擦除次數限制的，所以引入了壽命這個說法。
5、斷電保護機制
中控里板載的SDRAM是非易失性存儲器，斷電之后數據會丟失，這個時候SDRAM中的數據主要包括：用戶數據、映射表;
如果沒有斷電保護機制，再次上電時，先去NAND Flash中找上次更新時的映射表，這時拿到的信息并不是最新的，是上次更新NAND Flash中映射表時的數據信息，所以發生了大部分數據丟失。
因此SSD板上會加上鉭電容或者超級電容，當檢測到非法斷電時，首先停止數據操作，鉭電容或超級電容開始放電，以保證SDRAM中的數據能夠寫入到NAND Flash中。
至于是用鉭電容還是超級電容，得看具體要保護的數據量;不是電容的容量越大越好，因為只要電容開始放電，就要等待它的電放完之后才可以進行其他操作。假如電容容量過大，用戶只是點了個電腦重啟，這時候SSD的電容會開始放電，放電還沒完成的時候，電腦已經重新上電，這時無法認盤。所以電容電量應該選最時候的。
基于SDRAM中的內容，斷電保護機制主要分為3種：
(1)保存SDRAM中所有數據
再次上電后，相當于斷電前的操作被中斷，重新上電后就可立馬進入待命狀態。
(2)只保存SDRAM中的用戶數據
再次上電后，需要先把上次NAND Flash中保存的映射表提取到SDRAM中，再將保存的用戶數據提取出來，兩者結合更新映射信息，更新完之后才進入待命狀態。
(3)只保存SDRAM中的映射表
再次上電后，需要先把上次NAND Flash中保存的映射表提取到SDRAM中，只是丟掉了用戶斷電前正在操作的數據，無法更新。
6、SSD的評價標準
(1)穩定性：SSD是否穩定，最大的影響因素是垃圾回收機制的選擇，恰當的垃圾回收可以提供穩定的讀寫速率;例如主動垃圾回收機制，在空閑的時候做垃圾回收，讀寫速度不會因為延時而波動不定。
(2)性能：預留空間的大小主要決定了SSD的性能，OP大，垃圾回收快，相應寫放大小，讀寫性能就越好。
(3)壽命：所有Block的P/E值越趨近于均衡，SSD的壽命就越趨近于最佳。
作者：佚名來源：51CTO
總結
以上是生活随笔為你收集整理的全面理解SSD和NAND Flash的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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