SSD简介及其基本工作原理
SSD基本工作原理SSD（Solid State Disk），即固态存储，它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组成，其一般可以分为两种方式：基于闪存的SSD（采用FLASH芯片作为存储介质）和基于DRAM的SSD（采用DRAM作为存储介质）。传统硬盘的机械特性严重限制了数据读取、写入的速度及性能；SSD采用FLASH存储介质，它内部没有机械结构，因此没有数据查找时间、延迟时间和寻道时间。对SSD而言，其读取数据的过程就是一个解析地址的过程，因此，其数据读取的速度非常快。SSD的写操作比较特殊，其最小写入单元为4KB，称为页(page)，当写入空白位置时可以按照4KB的单位写入，但是如果需要改写某个单元时，则需要一个额外的擦除动作，擦除的单位（块block）一般是128个page，如果向一个空白的page写入信息时，可以直接写入而无需擦除，但是如果需要改写某个存储单元的数据，必须首先将整个block读入缓存，然后修改数据，并擦除整个block的数据，最后将整个block写入，很显然，SSD改写数据的代价很高，SSD的这个特性，称之为erase-before-write。HOST是通过逻辑地址块（LBA）访问SSD的，每个LBA代表着一个Sector（一般为512B大小），操作系统一般以4K为单位访问SSD，把HOST访问SSD的基本单元称作用户页（Host Page）。而在SSD内部，SSD主控与FLASH之间是以FLASH Page为基本单元访问FLASH的，称FLASH Page为物理页（Physical Page）。HOST每写入一个Host Page，SSD主控会找Physical Page把Host数据写入，SSD内部同时记录了这样一条映射（Map）。有了这样一个映射关系后，下次HOST需要读某个Host Page 时，SSD就知道从FLASH的哪个位置把数据读取上来。HOST每写入一个Host Page，就会产生一个新的映射关系，这个映射关系会加入（第一次写）或者更改（覆盖写）Map Table；当读取某个Host Page时， SSD首先查找Map Table中该Host Page对应的Physical Page，然后再访问Flash读取相应的HOST数据。随着数据的持续写入，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。如下图所示，原先将Block x和Block y上的数据移到Block z中，然后释放掉Block x和Block y的空间，以备之后使用。所以，SSD磁盘用了一段时间后，会感觉到磁盘的性能下降，就是因为数据写入时会把若干个块上的数据擦除，再写入数据，这样会严重影响SSD性能。另外一个存在的问题如下所示：当磁盘Block较少时，要写入新的数据，要进行Block回收，找到Block x，首先将Block x上的数据搬移到Block z上，然后写入H，这样其实写入了4个Page，写入被放大了4倍。写入放大的倍数的计算公式为：写入放大的倍数=（闪存写入的数据量 / 主控写入的数据量）另一个需要了解的是预留空间（OP, Over Provisioning）的概念，如果磁盘被占满了，用户删除一些数据，然后写入，能够写入成功吗？不能，因为B如果要写入新的数据，必须要有可用的空闲Block，而垃圾回收的时候，必须借助空闲的块（前面图中的Block z），然而此时连Block z都没有，所以就不能进行垃圾回收，也就不能写入新的数据。所以，SSD内部需要预留一部分的空间用于垃圾回收，这部分的空间，SSD内部的一些系统数据，也需要预留空间来存储，比如前面说到的映射表（Map Table）、SSD固件，以及其它的一些SSD系统管理数据。当某个单元长时间被反复擦写时，不仅会造成写入的性能问题，而且会大大缩短SSD的使用寿命。如果SSD集中对某几个Block进行擦写，那么这几个Block很快就寿命耗尽。比如有些数据是频繁需要更新，那么这些数据所在Block就需要频繁的进行擦写，这会造成这些Block的寿命就可能很快的耗尽。而有些数据用户是很少更新的，那么这些数据所在的Block擦写的次数就很少。随着用户对SSD的使用，就会形成一些Block有很高的PE数，而有些Block的PE数却很低的。在SSD内部，通过损耗均衡（Wear Leveling，WL）的机制来保证所有的Block均衡使用。WL有两种算法：动态WL和静态WL。所谓动态WL，就是在使用Block进行擦写操作的时候，优先挑选PE 数低的；所谓静态WL，就是把长期没有修改的数据从PE数低的Block当中搬出来，然后找个PE 数高的Block进行存放，这样，之前低PE数的Block就能拿出来使用。
