SSD 相关基础知识

Posted 2020-11-07 笑东风

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了SSD 相关基础知识相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

SDD 基础知识

SSD（Solid State Drives）是固态硬盘，使用闪存颗粒来存储数据，闪存又可分为NAND Flash和NOR Flash，通常所说的SSD硬盘都使用NAND Flash芯片来存放数据。NOR型存储内容以编码为主，其功能多与运算相关；NAND型主要功能是存储资料。

Nor Flash：主要用来执行片上程序

　　优点：具有很好的读写性能和随机访问性能，因此它先得到广泛的应用；

　　缺点：单片容量较小且写入速度较慢，决定了其应用范围较窄。

NAND Flash：主要用在大容量存储场合

　　优点：优秀的读写性能、较大的存储容量和性价比，因此在大容量存储领域得到了广泛的应用；

　　缺点：不具备随机访问性能。

SDD Flash规则

在对SSD中数据进行更改操作时，不能像HDD那样对原有数据进行覆盖更新，需要读取到整个页面的数据到缓存，然后更新缓存中的数据，再将更新后的数据写入到空的页面或已擦除的页面，将原有页面标示为无效。
以页为单位进行数据写入，以Block为单位进行数据擦除。通常会将页设置为4KB，将Block设置为512KB。
每个Block的擦除次数有上限，擦除次数过多容易导致Block损坏。

SSD 映射表(Mapping Table)

数据在实际存储单元的绝对地址被称为物理地址，数据在程序中使用的相对地址被称为逻辑地址，SSD在内部维护一张映射表，用来存储物理地址与逻辑地址的映射关系。

映射表使用DRAM（Dynamic Random Access Memory）来存放，方便快速访问，SSD会同时存放多份映射表，并且定期刷新映射表数据。

如果SSD因为断电等原因导致映射表损坏，就会导致整快SSD数据丢失。

SSD 垃圾回收(Garbage Collection)

垃圾回收指将多块Block中的有效数据集中搬迁到新的Block上，将原有Block进行擦除以备新数据写入。

垃圾回收策略可分为主动垃圾回收策略和被动垃圾回收策略：

主动垃圾回收策略：通过周期性地任务来检查BLOCK的可用空间，主动对需要的BLOCK进行垃圾回收。
被动垃圾回收策略：当数据写入操作发生时，发现当前可用空间小于临界值，首先进行垃圾回收，然后再写入数据。

SSD 磨损均衡(Wear Leveling)

由于每个BLOCK的擦除次数是有限的，即擦写寿命（Program/Erase Count，P/E值），为避免少数BLOCK被频繁擦除而导致损坏，因此广泛采用磨损均衡算法将写操作均匀分布到各闪存单元上，使得所有的闪存单元与整块盘的最大使用寿命保持在同以数据量级。

磨损均衡算法可分为两类：

动态WL,在对BLOCK进行擦写操作时，优先选择P/E值较低的BLOCK进行操作
静态WL,将P/E值降低的BLOCK数据移动到P/E值较高的BLOCK中存放。

SSD 预留空间(Over Provisioning)

垃圾回收的前提是有足够的空闲空间来拷贝原BLOCK中有效数据，为避免因缺少空闲空间导致无法进行垃圾回收操作，需要预留一部分存储空间来备用。

预留空间除保证垃圾回收机制外，还用来存放SSD的系统数据如映射表、SSD固件、以及坏块信息等。

当预留空间值越大时，垃圾回收就会越快，写放大就会变小，整快盘的读写性能就会变得越好，但带来的坏处就是用户可用的空间变小。

另外SSD使用Spare Area（SA区来标记坏块。

SSD 写放大原因

假设需要在4K的数据页中追加2K的数据，先将该页现有数据读取到缓存，然后将2K新数据追加到缓存，然后挑选一个空的或者已擦除的页面来写入数据，将原数据页标记为无效。在选择空的活已擦除的页面时，如果触发"被动垃圾回收策略"，需要将整个BLOCK中的有效数据读取到缓存，然后对整个BLOCK进行擦除，再将缓存中数据写入到BLOCK中，导致实际写入SSD中数据量远大于需求数据写入量，数据写入操作被放大，即SSD 写放大Write Amplification，简称WA。