SSD固态硬盘数据存储的秘密NAND数据

逻辑页的概念和NANDSSD/" target="_blank" class="relatedlink">闪存物理层的抽象概念，听不懂？觉得很搞？那么就开始吧。

看左边，这个是软件看到的存储图形（逻辑块地址).每个格子代表一个逻辑页（512B）看右边，这个是NAND闪存存储数据的图形，每个格子代表一个物理页。(目前的普遍为4KB，可以查NAND颗粒参数）在这2者之间起到互相交流作用的就是主控制器了，所以主控制器的好坏是SSD性能至关重要的一个部分。

从上面所看到的，控制器的最直截了当的方式写入到闪存是由页大小写入。在这种情况下，逻辑页大小等于物理页的大小。

不幸的是，这种做法有个很大的缺陷：Tracking(跟踪)的开销。如果你的逻辑页尺寸是4KB,那么一个80GB的SSD至少有20,000,000条逻辑页需要被Tracking.（确切的说是20,971,520）。你需要一个非常强大的控制器去分类和处理这些page，并且需要非常多的空间去保存这些表，当然非常大的高速缓存也是逃不掉的。这种方法的好处是能够带来非常高的4KB的写入性能，如果你写的大多数是4KB大小的数据，这种方法能产生最佳的性能。

如果主控设计者不具备特强的专业技术能力，没有足够时间或更详细的NAND结构来使用非常强大的控制器用来处理页级映射，那么可以使用一个更大的逻辑页尺寸。其中一个例子就是把你的逻辑页尺寸变为一个最小可擦写块尺寸（128X4KB页）为512KB。这样做会大大减少需要跟踪和优化的负担，一下子从原本需要映射管理的整盘20971520个页的表降低到只需要映射管理16.3万个块的表。可以大大减小主控制器内部结构的复杂程度和规模，并减轻负担,好处是非常高的大文件持续写入性能。如果用户的需求是大数据流（视频）类应用，这种具有大逻辑页的表管理会起到最佳效果。大家会发现类似数码照相机存储领域的应用里，大部分都是2MB~12MB的图片，这类大逻辑页尺寸的管理往往会起到最佳化性能。不幸的是，持续写入强大性能的背后带来了小文件写入上的低能。请记住，对MLC来说，写入速度原本就比读取速度慢了至少3倍，加上实际写入小文件但是主控却会写入大文件后，这种结果让速度更急剧恶化。比如你想写入一个8KB的文件，主控制器将会写入512KB(在这种情况下)，因为最小的可知的写入尺寸为512KB(表映射大小)，这无疑会大大增加写入放大。

记得当初barefoot还没发布前，内部预览版的逻辑页就是512KB的块，结果随机4KB很低能，然后新固件开启了页映射才提升了4KB写入性能。

2.这里我就稍微带过下了，设想你正在运行一个自助餐厅。你的餐厅有200个碟子，你的自助餐厅一晚上一共会有1000个客人吃饭，那么我们知道你需要招呼的客人是整个餐厅200个碟子的5倍，谢天谢地还好他们不是一起来。 ^_^你有一个洗碟工负责洗碗，等一桌的碟洗完后再一叠子拿出去给新到的客人用。非常简单不是吗？这就是SSD如何工作的。

记住规则：你可以读取写入一个页，但是你必须擦除一个块。如果一个块的页全部为无效的，这个块必须被擦除才能写入新的页。所有的SSD都会有一个等待洗碟子的“洗碟工”，他的工作就是清洗碟子让新的客人用。当碟子是全新的时候，洗碟工不需要洗碟，但是随着碟子一个个被用过了，这个洗碟子工作就变成日常的一部分了。

现实中的写入往往像图中这样，一个新的空白的块被分配出来，把原块里有效的数据和你新写入的数据一起复制过去，然后原块被完全清空。然后旧数据块被重新放到空白块备用区。因为主控需要他们，被清空的块被送到这个备用区等待下次的分配写入，这样来回循环着。

下面我们来看下平均潜伏期和最大潜伏期：

虽然平均潜伏期异常的低，但是最大潜伏期却大了至少350倍。这个相对机械硬盘来说还是低的，但是为啥会相差那么多？这其中到底发生了啥事？这就是写入放大造成的结果。

从上图中，我们看到当一个数据写入进来后，一个空的块被用掉。（当还有空白块的时候）。为了一直有一定量的空白块可以写入，必须定时做垃圾回收。在一块拥有最多“无效数据”的块将会被优先进行复制到新空白块，并清空旧块的操作，然后这个块被送进“空白块”备用区。在这个图中，我们看到了我们请求写入的尺寸（左边），但实际上我们写入了更多数据。（右边，写入中包含了垃圾回收操作留下的有效数据）。这种情况就被叫做写入放大。

写入放大是SSD主控制器实际写入的数据和主控制器想要写入的数据之比。写入放大1是最完美的，意味着你写入1MB数据，主控制器实际写入1MB数据。但是实际运行中，写入放大往往大于1。写入放大越高，SSD挂的越快，性能越低。 （最新的SandForce主控官方称写入放大是平均0.55压缩算法,Intel的主控官方称小于1.1。早期的JMF602之流在5以上。）

3.SSD写入的2个关键点：文件碎片和写入合并。

SSD内部多通道技术让写入大文件时候得到类似RAID 0阵列一样并行写入的能力。 (分解文件并行写入）

这个就是当写入1个128K文件时候，经过主控处理后写进NAND的图片。当我们读取这个文件的时候，经过主控处理多通道技术读取出来速度也是非常可观。

还记得前面说过：小文件随机读写性能是硬盘上最慢的吗？

假设我们要写一个4KB的文件，但是这个是NAND闪存写入的最小单位页大小，所以只能用一个通道的速度写入。

Intel和其他厂商结合许多小的随机写入，再同一时间一起写入。 在一开始，我们写入了1个128KB的文件，现在来看看当我们删除的时候发生了啥情况：

整个块都是无效数据，所有的块都能被快速擦除。

许多4KB不规则的碎片布满了整个Block，（因为当我们删除其中一个4KB文件的时候，别的文件并不需要被标记删除，经过几轮删除后，就变成了图中这个情况了。）

唉。这些支离破碎的块是最麻烦的。。几乎每一个写入到这些块将需要读,改,写操作，将大大增加写入放大，这就是写结合的缺点。（除非Trim）

英特尔的控制器能尽力恢复这些情况，这就是为什么它随机写性能仍然不错，三星的控制器不是很善于从这些情况下恢复。 （Trim对三星更重要）现在你可以明白为什么在执行该SSD的大跨度连续写能够修复一个支离破碎的SSD速度的道理了吧。它把一个全是碎片的Block变成一个容易对付的的持续文件Block状况。这也是为啥随着时间的推移，你感觉你的SSD越来越慢，因为你写入的不是一个持续的大文件，而是一个个混合的有大有小的持续或者随机的文件

Intel 80G X25-M 有80GB NAND闪存，那就是85,899,345,920字节。(80X1024^3字节)。

机械硬盘制造商用80GB代表80,000,000,000字节表示，它们定义为1GB=1,000,000,000字节。SSD供应商利用了相同的定义，所以80,000,000,000字节等于74.5GB，所以这就是用户能使用的空间。

SSD驱动器上到底有多少容量？80G。 Windows格式化后让你使用多少空间？74.5G。 那余下来的5.5G容量到哪里去了？主控制器拿来做备用区。

既然如此，Trim的三要素就能理解了：

1.主控能接收： SSD的主控制器要“明白”Trim命令，就像我和你说话，你听不懂也白搭。这就要有固件的支持。Intel Gen1的SSD由于Rom尺寸太少，不够放入Trim解析，“不明白”啥叫Trim，所以永远也不能支持Trim了。

2.系统会发送：Win7,Win2008R2系统支持Trim命令发送。命令行里输入：fsutil behavior query DisableDeleteNotify，返回DisableDeleteNotify=0就是说Trim命令发送被开启了，DisableDeleteNotify=1就是说Trim命令发送被关闭了。

3.驱动能传输：不是所有的驱动都能传输Trim指令的，对驱动也是有要求的，就像给你一批货，你没一辆货车是运不走的一样。

                         msahci.sys --> Working TRIM   微软AHCI驱动

                         pciide.sys --> Working TRIM    微软IDE驱动

                         intelide.sys --> Working TRIM  Intel IDE驱动

                         iaStor.sys --> (v9.6.1014 以上) Working TRIM  Intel RST RAID/AHCI驱动。RAID MEMBER不支持Trim传输。

只有同时满足上面3个要素，Trim才能完成。

我们知道只有Win7和Win2008R2支持Trim指令发送，所以就算你的SSD支持Trim，在Xp或者Vista下也是白搭。如果你用的是Barefoot的主控SSD的话，恭喜你，这个小工具能解救你。原理么：

这个程序会去像操作系统要一个所有未使用容量的LBA地址文件，然后把这些地址送给SSD主控，告诉它去trim这些地址。（优先清洗这部分的“碟子”）。应该来说它不会去碰任何有效的数据（当然如果你文件系统有问题，LBA出错么。。），当清理完成后，那些不包含有效数据的块就将恢复出厂性能（清空了）。这个工具就是这样一个，不需要操作系统支持Trim就能达到效果的小东西。（它代替了OS发送trim指令给SSD主控，当然有些时候会碰到些驱动兼容问题。

固件里加入了自动整理碎片的技术，不需要用户和系统的干预，支持RAID阵列。Barefoot,Sumsung RBB，C300/P300支持这个技术。（具体操作算法没有标准，每个厂家都是不同的）

仔细看帖子的朋友应该“懂的”，主控制器会在机器闲置的时候，把NAND里支离破碎的文件状况整理成比较整齐的状况。这样做的效果和Trim有点区别，Trim提升的主要是删除后被清空的数据块的速度，而GC在这基础上更提升了包含数据的数据块速度。如果没有Trim的支持，这个提升是有限的，如果Trim加上GC，那么就起到了事半功倍的作用了。

垃圾回收操作会带来写入放大，会影响寿命，增加笔记本待机负担，在闲置时硬盘会狂闪，所以主控厂适当限制了垃圾回收块的数量，可惜目前还没有程序能关闭这个功能

8.HDtune。这里我再分析下Intel的主控制器分别对比Barefoot和SandForce。

Intel的测试成绩就拿这里的数据说话吧。

这2个是Intel的SSD数据填满整个SSD和清空SSD的跑分成绩，如果看过我上面说的第4条，那么就应该看得出，Intel的映射表应该是动态的，随着数据越来越多，表也越来越大。这里成绩相差那么多，是因为当盘里没数据的时候，HDtune跑的是目标速度，看过上面我那个帖子就应该知道，所谓的目标速度，在这里也就成了“主控能力”，这不是真实的用户体验速度，是不真实的。日常使用中，我们在SSD里填入用户数据，用户数据占的位置在表映射看来就成了真实NAND速度，对于HDtune这类随机抽查地址上分布点速度的软件来说（这类软件不要求一定有分区），用户数据占的位置越分散，越多（包括无效，也就是已删除但没被Trim的数据），那么被抽查到的几率也越高，平均起来IOPS就会低，不如空盘的速度了。这里全盘填满的X25-M速度是比较悲剧的，IOPS不但低，最要命的是随机那项最大潜伏期竟然到了56547.850ms，天知道他抽查到了哪个悲剧的NAND地址，然后由于没地方释放做GC，造成数据不能被读改写，只能靠着主控里的数据缓存跑，可惜那里容量实在不大，经不起折腾。当然了，这里的成绩是2个极端，只是想证明一点，Intel的表是动态的，而且是随机分布在整个SSD容量范围内的，而HDtune测试IOPS不严谨，导致很多评测网站跑出的IOPS高，误导了很多消费者。另外就是大家看2个图4KB的IOPS，一个是60MB/s（空盘），一个是21MB/s（满盘），那么自己心里想想，自己跑CDM测试的时候4KB读取时是多少？我估计都在20~30MB/s之间吧，我要表达的意思你们"懂了"吧。

看完了Intel我们来看下SandForce吧：数据取自上面我的评测贴.

也是空盘爆高，有数据的时候又低很多的吧，那么这个表示啥？我们知道SandForce是靠压缩来提升性能的。

那么，SandForce里有个技术，这个叫做DuraClass的技术会自动接管主控的读写能力，所谓有得必有失，压缩能提高传输率，数据能被压缩1倍，意味着传输时间少1倍，速度也就提升了1倍，但是压缩是要花代价的，那就是编码时间，这个就造成了一定的延迟，而延迟对SSD是很关键的.SandForce的主控能力大家有目共睹了（这里的空盘数据），它的映射表是由DuraClass生成的，DuraClass操纵着整个盘的读写能力，映射表是当你第一次在SSD的用户区写入数据时候就一下子生成的，这个表应该是放在SA区的固定位置，但是却对应整个SSD的NAND地址（包括有数据和无数据的），也就是说当表被生成了，跑的HDtune测试就都是在NAND上跑了，不管今后你把SSD填满还是咋的，这个IOPS永远就那样了。（当然你的数据太分散，太随机还是会有小幅影响的，之前几条我有说明理由）。

最后我们来看看Barefoot主控。测试数据拿我帖子里的。 

Barefoot的主控，我之前有说过，映射表是固定的，所谓固定的就是放在了某一个地方一直存在的，静态的，放在SA区里，对应了NAND上的每个地址，不管你如何测试，这个IOPS都是差不多的，和SandForce生成表后的意思是一样的。

不同的软件测试的方法不同，带来的数据误差自然是有的，但是不应该会差很大。不会出现HDtune 4KB跑60MB/s跑进CDM只跑30MB/s的事，那肯定是哪里有问题了，上面就是我的解释。