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固态硬盘的存储原理

发布时间:2022-08-07 17:01:46 来源:bob新彩种 作者:bob安卓版竞猜

  固态硬盘Solid State Drives用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘由控制单元和存储单元FLASH芯片、DRAM芯片组成。固态硬盘在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致。被广泛应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空、导航设备等领域。

  基于DRAM类基于DRAM的固态硬盘采用DRAM作为存储介质应用范围较窄。它仿效传统硬盘的设计可被绝大部分操作系统的文件系统工具进行卷设置和管理并提供工业标准的PCI和FC接口用于连接主机或者服务器。应用方式可分为SSD硬盘和SSD硬盘阵列两种。它是一种高性能的存储器而且使用寿命很长美中不足的是需要独立电源来保护数据安全。DRAM固态硬盘属于比较非主流的设备。

  (4)Read disturb(读取某个块的数据的时候会影响到相邻块的数据)管理

  尽管有某些厂商推出了基于更高速的 DRAM 内存的产品但 NAND 闪存依然最常见占据着绝对主导地位。低端产品一般采用 MLC(multi-level cell) 甚至 TLC(Triple Level Cell) 闪存其特点是容量大、速度慢、可靠性低、存取次数低、价格也低。高端产品一般采用 SLC(single-level cell) 闪存其特点是技术成熟、容量小、速度快、可靠性高、存取次数高、价格也高。但是事实上取决于不同产品的内部架构设计速度和可靠性的差别也可以通过各种技术加以弥补甚至反转。

  操作系统通常将硬盘理解为一连串 512B 大小的扇区[注意操作系统对磁盘进行一次读或写的最小单位并不是扇区而是文件系统的块一般为 512B/1KB/4KB 之一(也可能更大)其具体大小在格式化时设定]但是闪存的读写单位是 4KB 或 8KB 大小的页而且闪存的擦除(又叫编程)操作是按照 128 或 256 页大小的块来操作的。更要命的是写入数据前必须要先擦除整个块而不能直接覆盖。这完全不符合现有的、针对传统硬盘设计的文件系统的操作方式很明显我们需要更高级、专门针对 SSD 设计的文件系统来适应这种操作方式。但遗憾的是目前还没有这样的文件系统。为了兼容现有的文件系统就出现了 FTL(闪存转换层)它位于文件系统和物理介质之间把闪存的操作习惯虚拟成以传统硬盘的 512B 扇区进行操作。这样操作系统就可以按照传统的扇区方式操作而不用担心之前说的擦除/读/写问题。一切逻辑到物理的转换全部由 FTL 层包了。

  FTL 算法本质上就是一种逻辑到物理的映射因此当文件系统发送指令说要写入或者更新一个特定的逻辑扇区时FTL 实际上写入了另一个空闲物理页并更新映射表再把这个页上包含的旧数据标记为无效(更新后的数据已经写入新地址了旧地址的数据自然就无效了)。

  简单说来磨损平衡是确保闪存的每个块被写入的次数相等的一种机制。

  通常情况下在 NAND 块里的数据更新频度是不同的有些会经常更新有些则不常更新。很明显那些经常更新的数据所占用的块会被快速的磨损掉而不常更新的数据占用的块磨损就小得多。为了解决这个问题需要让每个块的编程(擦写)次数尽可能保持一致这就是需要对每个页的读取/编程操作进行监测在最乐观的情况下这个技术会让全盘的颗粒物理磨损程度相同并同时报废。

  磨损平衡算法分静态和动态。动态磨损算法是基本的磨损算法只有用户在使用中更新的文件占用的物理页地址被磨损平衡了。而静态磨损算法是更高级的磨损算法在动态磨损算法的基础上增加了对于那些不常更新的文件占用的物理地址进行磨损平衡这才算是真正的全盘磨损平衡。简单点说来动态算法就是每次都挑最年轻的 NAND 块来用老的 NAND 块尽量不用。静态算法就是把长期没有修改的老数据从一个年轻 NAND 块里面搬出来重新找个最老的 NAND 块放着这样年轻的 NAND 块就能再度进入经常使用区。

  尽管磨损均衡的目的是避免数据重复在某个空间写入以保证各个存储区域内磨损程度基本一致从而达到延长固态硬盘的目的。但是它对固态硬盘的性能有不利影响。

  当整个SSD写满后从用户角度来看如果想写入新的数据则必须删除一些数据然后腾出空间再写。用户在删除和写入数据的过程中会导致一些Block里面的数据变无效或者变老。Block中的数据变老或者无效是指没有任何映射关系指向它们用户不会访问到这些FLASH空间它们被新的映射关系所取代。比如有一个Host Page A开始它存储在FLASH空间的X,映射关系为A-X。后来HOST重写了该Host Page由于FLASH不能覆盖写SSD内部必须寻找一个没有写过的位置写入新的数据假设为Y这个时候新的映射关系建立A-Y之前的映射关系解除位置X上的数据变老失效我们把这些数据叫垃圾数据。随着HOST的持续写入FLASH存储空间慢慢变小直到耗尽。如果不及时清除这些垃圾数据HOST就无法写入。SSD内部都有垃圾回收机制它的基本原理是把几个Block中的有效数据非垃圾数据集中搬到一个新的Block上面去然后再把这几个Block擦除掉这样就产生新的可用Block了.

  另一方面由前面的磨损平衡机制知道磨损平衡的执行需要有“空白块”来写入更新后的数据。当可以直接写入数据的“备用空白块”数量低于一个阀值后SSD主控制器就会把那些包含无效数据的块里的所有有效数据合并起来写到新的“空白块”中然后擦除这个块以增加“备用空白块”的数量。

  闲置垃圾回收很明显在进行垃圾回收时候会消耗大量的主控处理能力和带宽造成处理用户请求的性能下降SSD 主控制器可以设置在系统闲置时候做“预先”垃圾回收(提前做垃圾回收操作)保证一定数量的备用空白块让 SSD 在运行时候能够保持较高的性能。闲置垃圾回收的缺点是会增加额外的写入放大因为你刚刚垃圾回收的有效数据也许马上就会被更新后的数据替代而变成无效数据这样就造成之前的垃圾回收做无用功了。

  被动垃圾回收每个 SSD 都支持的技术但是对主控制器的性能提出了很高的要求适合在服务器里用到SandForce 的主控就属这类。在垃圾回收操作消耗带宽和处理能力的同时处理用户操作数据如果没有足够强劲的主控制器性能则会造成明显的速度下降。这就是为啥很多 SSD 在全盘写满一次后会出现性能下降的道理因为要想继续写入数据就必须要边垃圾回收边做写入。

  手动垃圾回收用户自己手动选择合适的时机运行垃圾回收软件执行垃圾回收操作。

  可以想象如果系统经常进行垃圾回收处理频繁的将一些区块进行擦除操作那么 SSD 的寿命反而也会进一步下降。由此把握这个垃圾回收的频繁程度同时确保 SSD 中的闪存芯片拥有更高的使用寿命这确实需要找到一个完美的平衡点。所以SSD 必须要支持 Trim 技术不然 GC 就显不出他的优势了。

  Trim 是一个 ATA 指令当操作系统删除文件或格式化的时候由操作系统同时把这个文件地址发送给 SSD 的主控制器让主控制器知道这个地址的数据无效了。当你删除一个文件的时候文件系统其实并不会线c;而只是把这个文件地址标记为“已删除”可以被再次使用这意味着这个文件占的地址已经是“无效”的了。这就会带来一个问题硬盘并不知道操作系统把这个地址标记为“已删除”了机械盘的线c;因为可以直接在这个地址上重新覆盖写入但是到了 SSD 上问题就来了。NAND 需要先擦除才能再次写入数据要得到空闲的 NAND 空间SSD 必须复制所有的有效页到新的空闲块里并擦除旧块(垃圾回收)。如果没有 Trim 指令意味着 SSD 主控制器不知道这个页是“无效”的除非再次作系统要求覆盖上去。

  Trim 只是条指令让操作系统告诉 SSD 主控制器这个页已经“无效”了。Trim 会减少写入放大因为主控制器不需要复制“无效”的页(没 Trim 就是“有效”的)到空白块里这同时代表复制的“有效”页变少了垃圾回收的效率和 SSD 性能也提升了。Trim 能大量减少伪有效页的数量它能大大提升垃圾回收的效率。目前支持 Trim 需要三个要素

  预留空间是指用户不可操作的容量为实际物理闪存容量减去用户可用容量。这块区域一般被用来做优化包括磨损均衡GC和坏块映射。

  第三层是用户在日常使用中可以分配的预留空间用户可以在分区的时候不分到完全的 SSD 容量来达到这个目的。不过需要注意的是需要先做安全擦除(Secure Erase)以保证此空间确实没有被使用过。

  (1)垃圾回收就是要把数据搬来搬去那就需要始终有空的地方来放搬的数据。空的越多搬的越快多多益善有些SSD为了更快还会再拿走一些用户的容量。

  (2)映射表等内部数据保存SSD里面有一个巨大的映射表把用户地址转成物理Flash颗粒地址需要保存以防掉电丢失。这个大概是千分之三的容量。

  因为闪存必须先擦除(也叫编程)才能写入在执行这些操作的时候移动或覆盖用户数据和元数据(metadata)不止一次。这些额外的操作不但增加了写入数据量减少了SSD的使用寿命而且还吃光了闪存的带宽间接地影响了随机写入性能。这种效应就叫写入放大(Write amplification)。一个主控的好坏主要体现在写入放大上。

  比如我要写入一个 4KB 的数据最坏的情况是一个块里已经没有干净空间了但是有无效数据可以擦除所以主控就把所有的数据读到缓存擦除块从缓存里更新整个块的数据再把新数据写回去。这个操作带来的写入放大就是我实际写4K的数据造成了整个块(1024KB)的写入操作那就是256倍放大。同时带来了原本只需要简单的写4KB的操作变成闪存读取(1024KB)缓存改(4KB)闪存擦(1024KB)闪存写(1024KB)造成了延迟大大增加速度急剧下降也就是自然的事了。所以写入放大是影响 SSD 随机写入性能和寿命的关键因素。

  用100%随机4KB来写入 SSD对于目前的大多数 SSD 主控而言在最糟糕的情况下写入放大的实际值可能会达到或超过20倍。当然用户也可以设置一定的预留空间来减少写入放大假设你有个 128G 的 SSD你只分了 64G 的区使用那么最坏情况下的写入放大就能减少约3倍。

  许多因素影响 SSD 的写入放大。下面列出了主要因素以及它们如何影响写入放大。

  (1)垃圾回收虽然增加了写入放大(被动垃圾回收不影响闲置垃圾回收影响)但是速度有提升。

  (2)预留空间可以减少写入放大预留空间越大写入放大越低。

  (4)用户使用中没有用到的空间越大写入放大越低(需要有 Trim 支持)。

  (5)持续写入可以减少写入放大。理论上来说持续写入的写入放大为1但是某些因素还是会影响这个数值。

  (6)随机写入将会大大提升写入放大因为会写入很多非连续的 LBA。

  交错操作可以成倍提升NAND的传输率因为NAND颗粒封装时候可能有多Die、多Plane(每个plane都有4KB寄存器)Plane操作时候可以交叉操作(第一个plane接到指令后在操作的同时第二个指令已经发送给了第二个plane以此类推)达到接近双倍甚至4倍的传输能力(看闪存颗粒支持度)。

  ECC的全称是Error Checking and Correction是一种用于Nand的差错检测和修正算法。由于NAND Flash的工艺不能保证NAND在其生命周期中保持性能的可靠因此在NAND的生产中及使用过程中会产生坏块。为了检测数据的可靠性在应用NAND Flash的系统中一般都会采用一定的坏区管理机制而管理坏区的前提是能比较可靠的进行坏区检测。如果操作时序和电路稳定性不存在问题的线c;NAND Flash出错的时候一般不会造成整个Block或是Page不能读取或是全部出错而是整个Page中只有一个或几个bit出错这时候ECC就能发挥作用了。不同颗粒有不同的基本ECC要求不同主控制器支持的ECC能力也不同理论上说主控越强ECC能力越强。

  固态硬盘主要由主控、缓存、闪存组成数据通过接口进入主控经主控中转调配后储存到各个闪存颗粒中。闪存的基本存储单元是浮栅晶体管

  浮栅被二氧化硅包裹和上下绝缘即使在去除电压之后栅极内的电子也会被捕获断电时也能保存电子这就是固态硬盘掉电也能存储数据的原理。

  现在浮栅中的电子数量高于中间值表示“0”如果要写入成1要先擦除才能写入在P级上施加正电压浮栅中的电子会因为量子隧穿效应穿过隧穿层被吸出来现在浮栅中的电子数量低于中间值表示1。

  在控制栅施加正电压这使得来自源极的电子穿过隧穿层并到达浮柵层每次隧穿所需的电压取决于隧穿层的厚度现在浮栅中的电子数量高于中间值表示0

  如果要读取数据往控制极加一个较低的电压就能导通这两个N级因为电压较低不足以让电子隧穿而存储“0”的浮栅相比储存“1”的浮栅有更多电子会抵消控制极的电压所以控制极需要更大的电压才能导通两个N极因此通过阈值电压的不同来判断浮栅中是否有电子。单元中的电压与阈值电压进行比较高于阈值电压识别为0低于阈值电压识别为1。

  每次对单元进行编程或擦除时一些电子都会卡在氧化层中抵消控制级的电压这些电子的累积使得控制极为了导通两个N极所需的电压越来越大一旦氧化层不能够在编程和擦除状态之间找到可靠的区分点则该单元被认为是坏的。

  单阶存储单元SLC电子数量只有两种状态每个存储单元只能存储1bit的数据由于只有两个级别因此两个级别之间的电压余量非常“宽”这使得读取单元的速度更快原始误码率很低因此微小的电荷泄漏具有相对较低的影响。同时也有一个缺点就是相较于多阶存储单元每个单元的成本更高。

  MLC每个存储单元能存储2bt数据有4种状态阈值电压与3个电平进行比较。

  TLC每个存储单元能存储3bit数据有8种状态阈值电压与7个电平进行比较。

  QLC每个存储单元能存储4bit数据有16种状态阈值电压与15个电平进行比较相较于单阶存储单元多阶存储单元每个级别之间的电压“宽”度就分得非常细寿命更短,读取速度更慢。多阶存储单元通过更多级别进行比较读取操作需要更加精确原始误码率高任何电荷泄漏都会产生更大的相对影响优点是单位容量高成本相对较低。

  现在你看到的单位是“块”字线同时连接这一页上的所有晶体管的控制极听以写入时都是以页为单位写入和读取数据的每一列的浮栅晶体管都是串联的它的每一列的两端都有两个普通晶体管两个晶体管的开关状态就可控制读写

  给需要写入数据的字线c;这一行的浮栅晶体管都会被注入电子那么就要阻止其他浮栅晶体管注入电子给不需要写入数据的字线一个较低的电压导通位线c;给不需要写入数据的位线c;就能带走电子阻止注入电子

  给P极一个电压就可以擦除数据要注意的是因为整个块都共用一个P极所以闪存都是以块为单位擦出数据的。

  给不需要读取数据的字线一个较低的电压导通位线c;给不需要读取数据的位线一个电压导通即可这样不需要读取的浮栅都被导通了给控制栅加读取电压判断漏极-源极之间是否处于导通状态。

  以MLC为例如果一个浮栅晶体管储存2bit数据一页是4K就需要16384个浮栅晶体管有256个页一块就是1M一个512GB的闪存就需要524288块指甲盖大小的颗粒中就有2万亿个浮栅晶体管。主控过若干通道并行操作多块闪存颗粒类似Raid0,这样大大提高了底层带宽。缓存虽然叫做缓存但其实闪存并不需要缓存帮忙写入数据主控每把一笔数据写入闪存中时便会记录下该数据的逻辑地址到物理地址的映射关系也就是映射表。

  其中映射表设置了两个区块池一个是空闲池一个是数据池空闲池记录的就是空闲块的地址数据池记录的就是有效数据的地址这样当想要读取数据时就会根据这个映射读取到线c;缓存就是用来储存这张映射表的。

  如果没有缓存颗粒就会使用闪存颗粒中的部分空间来做缓存写分为新写入和覆盖写两种主控根据空闲池中的“地址”找到新的块将数据写入到页主控会把数据存放的“地址”记录到数据池中。

  主控根据空闲池中的“地址”找到新的块将现有的数据和需要改写的数据合并为新的一起写入到页将“地址”记录到数据池中旧数据的“地址”就会被删除而不是擦除块这就是固态硬盘删除数据还有机会能找回的原因。

  就是垃圾回收机制主控根据空闲池中的“地址”找到新的块根据数据池的地址将有效数据迁移到新的块将有效数据的地址记录到数据池中然后擦除块将块的“地址”记录到空闲池中注意,如果整个块并没有被写满但是块上有无效数据主控并不会直接擦除块而是把有效数据写到其他页上继续使用这就造成了写入放大。

  覆盖写时会将现有的数据和需要改写的数据合并为新的写入另一个块中原本就已经写入过一次了再加上这次搬迁就又多了一次写入如果块上有无效的数据会连同无效数据一起搬到别的块上这样写入量变的更大就会增加硬盘负担影响闪存速度和闪存寿命。

  禁用删除通知机制刚好弥补了这一缺点作为底层的固态硬盘并不知道哪些数据是有效的哪些是无效的禁用删除通知只是一种命令只负责通知固态硬盘哪些是无效数据这样覆盖写时就不会把无效数据搬运到新块上了。

  禁用删除通知命令是和垃圾回收是互补的禁用删除通知命令给主控的可删除数据越多垃圾回收操作需要转移的数据就越少也就延长了硬盘的使用寿命还有什么方法可以延长硬盘的使用寿命吗?动态磨损平衡

  动态磨损平衡主控在使用块进行擦写操作的时候优先挑选写入次数低相对年轻的块还有更复杂的静态磨损平衡主控会把长期没有修改的老数据从年轻块当中搬岀迁移到年老的块中腾出年轻的块使用如果所有闪存容量为256G开放给用户使用也是256G现在,我们把全盘写满接着删除一些文件能不能写入新的数据呢?

  答案是不能因为空间已经满了无法把它回收到空闲池在固态硬盘底层如果要写入新的数据必须要有可用的空闲块才会擦除待回收的块到空闲池中这样就需要部分预留空间这就是买的256G的硬盘只有240G的原因

  这部分空间主控是看不到的这部分预留空间不仅仅用做垃圾回收事实上SSD内部的一些系统数据比如SSD固件,SSD系统管理数据映射表也需要预留空间来存储。

  总结闪存需要先擦除才能写入,不能覆盖写。闪存是有寿命的每擦除一次寿命便会减少一点删除的数据,并不会被马上擦除,只是逻辑地址被删除了所以被删除的数据还有一定的机会找回。缓存虽然叫做缓存,但其实闪存并不需要缓存帮忙写入数据。固态需要部分预留空间来作为缓存,垃圾回收,存储固件,存储系统数据等这就是你买的固态硬盘标注容量会比实际容量少的原因

  首先我们要明白的是计算机中只有0和1那么我们存入硬盘的数据实际上也就是一堆0和1那么也就是说我们如果能有办法记录0和1就可以记录数据了比如我们有2个灯泡一个不亮一个亮就可以表示01即数字1两个都亮11即表示数字2越大的数可以用越多的灯泡来表示。

  机械硬盘工作原理比较简单。主要的两个东西磁盘和磁针磁盘上有很多细小的磁粉写入数据时给磁针通电磁针有磁性后就可以改变磁粉的S极和N极的朝向比如S朝上代表1N朝上代表0.读取的时候通过读取这些磁粉的朝向就可以读取出来记录的是0还是1.

  固态硬盘的存储数据的单元叫浮栅晶体管。这里不涉及主控、缓存等其他元件原理核心的存数据的就是这个浮栅晶体管有的人叫什么金属-氧化物半导体场效应晶体管简称金属半场效应晶体管MOSFET我不知道是不是同一个东西但原理好像是一样的。

  同时这个电子一旦析出之后他是不会再回去G处的需要给P衬低加电压电子才到G处去。

  在了解两种硬盘的工作原理之前我们要了解下计算机的工作原理。计算机是怎么样给我们提供服务的呢

  这里就有人有疑问了既然内存的读取速度这么快为什么我们不全都用内存呢原因有几点

  2、可靠性内存在电脑断开电源以后里面的数据会全部丢失而硬盘则不会。

  固态硬盘的内部分为主控和存储单元还有个接口。存储单元就是用来存储数据的主控是用来记录数据存储位置和进行数据操作的接口是用来与计算机进行数据交换的。而决定固态的速度的主要是接口和控制器。

  主控和颗粒是一个固态好坏的基础这也是为什么三星固态卖的这么贵的原因主控单元负责我们的数据的存储他会优先选择我们存储单元中用的比较少的位置进行数据的存储从而保证我们存储单元寿命的一致。所以说固态的寿命是固定的我们的固态用到寿命没了怎么办呢买一个便宜的固态把内存颗粒扣出来替换到我们的板子上面大雾

  这个就是机械硬盘的结构你们就把他当作光驱和CD就行了。影响存取速度的主要因数为转速我们常说的转速就是磁盘的每分钟转的圈数。理论上只要磁盘转的够快我们的磁头读到的数据就会足够的多足够快但是他是通过记录数据存储的扇区来进行数据存取所以存在着一个寻道时间这也是他为什么速度比不上固态的主要原因。

  不知道你们有没有听过以前的随身听一个盒子加一张cd就是以前大学的浪漫了。你们想象一下带着耳机听着舒缓的音乐骑行在田间小路一个小坑让你颠簸了下突然你的随身听就换了首忐忑。这个问题也存在于我们的机械硬盘中在运行的时候一旦遇到强烈的震荡或颠簸轻则读写错误重则导致磁道的损坏所以我们的电脑也不要开着机随便背着跑。

  1这里又有人会提出问题为啥机械硬盘对比固态硬盘这么多缺点我们还要用机械硬盘

  便宜这么多还想要什么而且我们民用的机械硬盘当然比不上固态机械硬盘也有分很多等级的企业级的机械硬盘在存取的稳定性和速度上都是极好的。

  2问题又来了我这么多数据存在机械硬盘上有没有方法可以不用换盘就可以提高机械硬盘的速度

  使我们开发处高效储存方案。 linux 相关指令 fstrim --fstab --verbose ## 回收(discard)文件系统上对应磁盘未使用的块 blkdiscard /dev/nvme1n1 ## 回收并...

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