Potpourri-02.Feb.2022

固态硬盘SSD的英文全称是Solid State Drive，它使用了闪存作为存储介质，取代了传统的机械硬盘HDD(Hard Disk Drive)的磁盘寻道方式，在诸多方面都有了显著的提升，是现在最流行的存储介质之一，本文简要介绍SSD的基本原理与相关的接口知识。

常用术语

Host Page

主机页，主机在向存储设备发出读写请求时，以主机页为抽象单位，它和设备具体采用的存储介质无关，一般为512B的大小
Physical Page

物理页，存储设备收到主机请求后，看待设备上存储介质的基本单位，单位之下的存储介质可能是磁盘扇区，也可能是闪存颗粒，一般与主机页大小对应
LBA：Logical Block Address

逻辑块地址，主机在存储设备上寻址使用的抽象地址，它的地址空间往往是线性的
CHS：Cylinders-Heads-Sectors

柱面-磁头-扇区地址，传统的HDD的控制器在内部寻址时，需要将LBA转换成这样的多维地址才能定位到物理页所在的扇区，#lba=(#c*H+#h)*S+#s-1，而SSD可能采用(block, page)这样更为简单的寻址方法

SSD基础知识

硬件架构

部件简介

SSD设备上通常有以下部件：

Controller：控制SSD的读写、更新映射表、垃圾回收等
Memory：存放SSD的映射表等关键数据
NAND flash：
- NAND闪存通常是SSD真正的存储介质，掉电后数据不丢失
- 闪存从单元开始逐步封装，一般会封装至芯片的规模，在SSD上成为不同的channel，方便使用RAID0方式提高访存速度

闪存自底向上

常见的NAND架构是2D NAND，存储单元按照行(rows)与列(columns)的方式排列，同一行组成页(pages)被管理，不同的页组成块(block)进行擦除等操作，多个块再组成颗粒(die)(芯片封装前的晶粒)，多个颗粒封装成为芯片(chip)，芯片最后构成SSD设备(device)的存储介质

因此，在SSD的控制器上常采用(block, page)的方式对物理页寻址

映射表

映射表在主机页写之后形成或修改，并可能在SSD的垃圾回收过程中改动，记录了主机页到物理页的映射
映射表不需要很大：(SSD标识容量/物理页大小)*物理页地址位长即可
映射表一般存放在SSD片上的DRAM中，读取主机页只需要访问一次闪存，如果存放在闪存中则需要访问两次，更慢一些

SSD运行原理

读写

以页为单位
读(Read)：根据主机页查找映射表，寻址得到物理页，返回数据
写(Write/Program)：
- 闪存不能覆写(overwrite)，只能写空闲页，或者先擦除再写
- 有空闲页时，根据主机页的数据，找到空闲物理页，写入数据，更新映射表，更新后可能产生无效页，后续被垃圾回收
- 没空闲页时，先进行垃圾回收得到空闲页再写

擦除与垃圾回收

擦除(Erase)以块为单位
擦除时，确认块上没有仍被映射表映射的有效页(valid page)，然后将一整块上的数据擦除
如果空闲页过少就要进行垃圾回收，将多个块上的有效页集中到一块，然后将这几块分别擦除
厂商设计一定的OP(over-provisioning)率，标识容量<实际容量，让宏观的垃圾回收花费更少

使用寿命

SSD的使用寿命常用擦写数P/E(Program/Erase Count)作为参数进行衡量
为了提高寿命，SSD具有磨损平衡(Wear Leveling，WL)机制
- 动态：每次擦写时优先选择擦写次数少的单元
- 静态：SSD闲置时将数据从擦写次数多的块搬运到擦写次数少的块
中心思想是让擦写次数均衡

SSD装机

SSD作为外设，需要安装到主机正确的接口上，通过支持正确协议的总线通道来使用

考虑影响SSD性能的因素，除了上一节中，颗粒、OP率等SSD设备自身的指标，还有使用的总线通道与协议决定的瓶颈速率

常用接口与协议

引用胡老师的一句名言：硬件进行连接，软件解决访问，研究接口的过程中，也既要关注硬件连接，又要关注实际采用的总线和协议

在SSD应用的领域，则有如下常用的总线、协议与接口：

总线

SATA：1.0，2.0，3.0
PCI-E(PCI Express)：
- Gen 2，Gen 3，Gen 4
- 应用广泛，先有PCI-E后有SSD

协议

AHCI：两类总线均可使用
NVME：PCI-E总线可用

硬件接口

走SATA总线：
- SATA：历史悠久
- SAS：SATA改进，加入SCSI，稳定安全
- SATA Express：并行加速，昙花一现
- mSATA：微机接口
- M.2 B Key：微机接口，笔记本电脑常见，特别地，支持PCI-E X2总线
走PCI-E总线：
- PCIE
  - 同一Gen下，接口硬件长度对应最大带宽，用X1、X2等标识
  - 实际最大带宽要看是直连CPU还是经过南桥
  - 可以连PCI-E转M.2等转接设备，增强泛用性
- M.2 M Key：采用NVME协议，理论上向下兼容B Key
- U.2：和SAS同形，但采用PCI-E总线，NVME协议

选取与安装

不仅是SSD，研究外设采用的协议和接口，安装合适的设备，可以找到一种泛用的方法，就是研究主板motherboard的规格书与手册。通常配置的主机设备，都是在主板(通常采用ATX等主板规格)的基础上安装CPU、直接通讯设备与各种外设

对于PC而言，主板上通常有如下组件：

内置通用外设：网卡、声卡等
芯片组：北桥、南桥
- 北桥负责同内存、GPU等高速设备通信，和南桥、CPU通信，近几年功能逐渐被整合进CPU中，在主板上消失
- 南桥负责同硬盘、键盘等低速设备通信，和北桥通信，由于北桥消失而整合剩余功能变成PCH(Platform Controller Hub)
各种接口：SATA3.0、PCI-E X16等
各种布线：总线通道等
其他部件：散热片、马甲板等