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前言——
在前段時(shí)間小編曾經(jīng)發(fā)布了：固態(tài)硬盤知識(shí)進(jìn)階：專業(yè)名詞篇。文內(nèi)介紹了各類固態(tài)硬盤中可能會(huì)出現(xiàn)的比較晦澀和深入的名詞，而很多朋友可能沒聽說過這些名詞。如FTL、LBA、GC等。。。今天我們將剩下的一些名詞再來說一下，給大家解讀一下。
下面就來為大家解讀這些名詞。
目錄：
一、預(yù)留空間（Over-provisioning，OP）
二、Trim
三、寫入放大（Write amplification，WA）
四、壞塊管理（Bad block management，BBM）
五、ECC - 校驗(yàn)和糾錯(cuò)
六、Interleaving - NAND 交叉存取技術(shù)
正文開場：
一、 預(yù)留空間（Over-provisioning，OP）
預(yù)留空間一般是指用戶不可操作的容量，為實(shí)際物理閃存容量減去用戶可用容量。這塊區(qū)域一般被用來做優(yōu)化，包括磨損均衡，GC和壞塊映射。
第一層為固定的7.37%，這個(gè)數(shù)字是如何得出的哪？我們知道機(jī)械硬盤和SSD的廠商容量是這樣算的，1GB是1,000,000,000字節(jié)（10的9 次方），但是閃存的實(shí)際容量是每GB=1,073,741,824，(2的30次方) ，2者相差7.37%。所以說假設(shè)1塊128GB的SSD，用戶得到的容量是128,000,000,000字節(jié)，多出來的那個(gè)7.37%就被主控固件用做OP了。
第二層來自制造商的設(shè)置，通常為0%，7%和28%等，打個(gè)比方，對于128G顆粒的SandForce主控SSD,市場上會(huì)有120G和100G兩種型號(hào)賣，這個(gè)取決于廠商的固件設(shè)置，這個(gè)容量不包括之前的第一層7.37%。
第三層是用戶在日常使用中可以分配的預(yù)留空間，像Fusion-IO公司還給用戶工具自己調(diào)節(jié)大小來滿足不同的耐用度和性能，而用戶也可以自己在分區(qū)的時(shí)候，不分到完全的SSD容量來達(dá)到同樣的目的。
預(yù)留空間雖然讓SSD的可用容量小了，但是帶來了減少寫入放大，提高耐久，提高性能的效果。
二、 Trim
TRIM是一個(gè)ATA指令，由操作系統(tǒng)發(fā)送給SSD主控制器，告訴它哪些數(shù)據(jù)占的地址是”無效“的。
要明白什么是Trim和為什么它很重要，需要先知道一點(diǎn)文件系統(tǒng)的知識(shí)。
當(dāng)你在電腦里刪除一個(gè)文件的時(shí)候，操作系統(tǒng)并不會(huì)真正的去刪除它。操作系統(tǒng)只是把這個(gè)文件地址標(biāo)記為“空”，可以被再次使用，這意味著這個(gè)文件占的地址已經(jīng)是“無效”的了。這就會(huì)帶來一個(gè)問題，硬盤并不知道操作系統(tǒng)把這個(gè)地址標(biāo)記為”空“了，機(jī)械盤的話無所謂，因?yàn)榭梢灾苯釉谶@個(gè)地址上重新覆蓋寫入，但是到了SSD上問題就來了。
NAND需要先擦除才能再次寫入數(shù)據(jù)，要得到空閑的NAND空間，SSD必須復(fù)制所有的有效頁到新的空閑塊里，并擦除舊塊（垃圾回收）。如果沒有Trim，意味著SSD主控制器不知道這個(gè)頁是”無效“的，除非再次被操作系統(tǒng)要求覆蓋上去。
這里要強(qiáng)調(diào)下，Trim只是條指令，讓操作系統(tǒng)告訴SSD主控制器這個(gè)頁已經(jīng)“無效”就算完了，并沒有任何其它多余的操作，對Trim后的優(yōu)化其實(shí)是垃圾回收在干活。Trim能夠減少寫入放大，因?yàn)橹骺刂破鞑恍枰獜?fù)制已經(jīng)被操作系統(tǒng)定義為“無效”的頁（沒Trim的話，主控就因?yàn)椴恢?，而認(rèn)為這個(gè)頁“有效”）到“空白塊”里，這同時(shí)代表復(fù)制的“有效”頁變少了，垃圾回收的效率提高了，SSD性能下降的問題也減弱了。
所以說Trim的奧秘在于它能大量減少“有效”頁的數(shù)量，大大提升垃圾回收的效率。
相對于企業(yè)級市場，在消費(fèi)級的SSD里，Trim顯得更為重要，企業(yè)級的SSD大部分都帶有相當(dāng)大的OP（備用空間）空間，能夠提升一部分的垃圾回收效率。而消費(fèi)級SSD一般OP都比較小，所以需要Trim來保證垃圾回收的效率。
Trim指令只有在操作系統(tǒng)進(jìn)行刪除、格式化等操作時(shí)候才會(huì)發(fā)送。Trim指令目前還不支持發(fā)送給RAID陣列中的SSD。（操作系統(tǒng)下進(jìn)行的軟件RAID可以支持）。
Trim的支持需要3個(gè)要素：
1.SSD主控制器和當(dāng)前搭配的固件需要支持Trim命令接收。
2.當(dāng)前操作系統(tǒng)需要支持Trim指令發(fā)送。（Win7/2008R2及后續(xù)版本）
3.當(dāng)前使用的磁盤驅(qū)動(dòng)程序必須支持Trim命令傳輸。
只有同時(shí)滿足以上3個(gè)條件，才能做到系統(tǒng)Trim命令發(fā)送，驅(qū)動(dòng)傳輸Trim命令，SSD固件接收到傳輸來的Trim命令。
Trim目前不支持以下幾種情況:（可能還有更多）
1. Trim目前不支持RAID陣列中的SSD。（操作系統(tǒng)下進(jìn)行軟件RAID除外）
2. Trim目前不支持磁盤鏡像文件內(nèi)操作。（VM等虛擬機(jī)軟件使用的虛擬磁盤文件）
3. Trim目前不支持加密的文件系統(tǒng)。（以防止暴露加密文件系統(tǒng)信息）
三、 寫入放大（Write amplification，WA）
因?yàn)殚W存必須先擦除才能寫入（我們也叫“編程“），在執(zhí)行這些操作的時(shí)候，移動(dòng)（或覆蓋）用戶數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)(metadata)不止一次。這些多次的操作，不但增加了寫入數(shù)據(jù)量，減少了SSD的使用壽命，而且還吃光了閃存的帶寬（間接地影響了隨機(jī)寫入性能）。
早在2008年，Intel公司和Silicon Systems公司（2009 年被西部數(shù)字收購）第一次提出了寫入放大并在公開稿件里用到這個(gè)術(shù)語。他們當(dāng)時(shí)的說法是，寫入算法不可能低于1，但是這種說法在2009年被 SandForce打破，SandForce說他們的寫入放大是0.55。
最簡單的例子，比如我要寫入一個(gè)4KB的數(shù)據(jù)，最壞的情況就是，一個(gè)塊里已經(jīng)沒有干凈空間了，但是有無效數(shù)據(jù)可以擦除，所以主控就把所有的數(shù)據(jù)讀到緩存，擦除塊，緩存里更新整個(gè)塊的數(shù)據(jù)，再把新數(shù)據(jù)寫回去，這個(gè)操作帶來的寫入放大就是: 我實(shí)際寫4K的數(shù)據(jù)，造成了整個(gè)塊（1024KB）的寫入操作，那就是256倍放大。同時(shí)帶來了原本只需要簡單的寫4KB的操作變成閃存讀取 (1024KB)，緩存改（4KB)，閃存擦(1024KB)，閃存寫(1024KB)，造成了延遲大大增加，速度慢是自然了。所以說寫入放大是影響 SSD隨機(jī)寫入性能和壽命的關(guān)鍵因素。
用100%隨機(jī)4KB來寫入SSD，目前的大多數(shù)SSD主控，在最壞的情況下寫入放大可以達(dá)到20以上。如果是100%持續(xù)的從低LBA寫到高LBA的話，寫入放大可以做到1，實(shí)際使用中寫入放大會(huì)介于2者之間。用戶還可以設(shè)置一定的預(yù)留空間來減少寫入放大，假設(shè)你有個(gè)128G的SSD，你只分了64G 的區(qū)使用，那么最壞情況下的寫入放大就能減少約3倍。
影響寫入放大的因素
許多因素影響SSD的寫入放大。下面我列出了主要因素，以及它們?nèi)绾斡绊憣懛糯蟆?/p>
1. 垃圾回收(GC) Garbage collection ---
雖然增加了寫入放大（被動(dòng)垃圾回收不影響，閑置垃圾回收影響），但是速度有提升。這個(gè)比較特殊的算法用來整理，移動(dòng)，合并，擦除閃存塊來提升效率。
2. 預(yù)留空間（OP) Over-provisioning ---
減少寫入放大，好。(預(yù)留空間越大，寫入放大越低）在SSD的閃存上劃出一部分空間留給主控做優(yōu)化，用戶不能操作的空間。
3. TRIM ---
開啟后可以減少寫入放大，好。一個(gè)ATA指令，由操作系統(tǒng)發(fā)送給SSD主控，告訴主控哪些數(shù)據(jù)是無效的并且可以不用做垃圾回收操作。
4. 可用容量 ---
減少寫入放大，好。(可用空間越大，寫入放大越低）用戶使用中沒有用到的空間，需要有Trim支持，不然不會(huì)影響寫入放大。 (某些主控制器算法只支持對OP區(qū)垃圾回收，這樣就不會(huì)影響）
5. 安全擦除Secure Erase ---
減少寫入放大，好。清除所有用戶數(shù)據(jù)和相關(guān)元數(shù)據(jù)，讓SSD重置到初始性能。
6. 持續(xù)寫入Sequential write ---
減少寫入放大，好。理論上來說，持續(xù)寫入的寫入放大為1，但是某些因素還是會(huì)影響這個(gè)數(shù)值。
7. 隨機(jī)寫入Random writes ---
提高寫入放大，不好。隨機(jī)寫入會(huì)寫入很多非連續(xù)的LBA,將會(huì)大大提升寫入放大。
8. 磨損平衡（WL） Wear Leveling ---
直接提高寫入放大，不好。確保閃存的每個(gè)塊被寫入的次數(shù)相等的一種機(jī)制。
四、 壞塊管理（Bad block management，BBM）
不管磨損平衡算法如何聰明，在運(yùn)作中都會(huì)碰到一個(gè)頭痛的問題，那就是壞塊，所以一個(gè)SSD必須要有壞塊管理機(jī)制。何謂壞塊？
一個(gè)NAND塊里包含有不穩(wěn)定的地址,不能保證讀/寫/擦的時(shí)候數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。壞塊分出廠壞塊和使用過程中出現(xiàn)的壞塊，和機(jī)械盤的壞塊表一樣（P表和G表)，SSD也有壞塊表。
出廠壞塊的話，在壞塊上會(huì)有標(biāo)記，所以很容易就能被識(shí)別，后期使用中出現(xiàn)的壞塊就要靠主控制器的能力了，一般來說，越到NAND生命的后期(P/E數(shù)開始接近理論最大值），壞塊就會(huì)開始大量出現(xiàn)了。
一般來說NAND出廠都包含壞塊，不過廠商有個(gè)最小有效塊值(NvB-minimum number of valid blocks)，拿Intel的34nm MLC L63B來說，1個(gè)die上4,096個(gè)塊里至少要有3,936個(gè)塊是好的，從這上面可以知道，雖然出廠的NAND可能有壞塊，但是廠商保證在正常生命周期里，好塊數(shù)不會(huì)低于3936個(gè)塊。而且每個(gè)die的第一個(gè)塊地址(00h)在出廠時(shí)是必須保證好的（ECC后，這個(gè)塊必須有效）。
NAND出廠前都會(huì)被執(zhí)行擦除操作，廠商會(huì)在出貨前會(huì)把壞塊標(biāo)記出來（廠商會(huì)在壞塊的第一個(gè)頁的SA區(qū)上打上標(biāo)記。） 這樣壞塊管理軟件就能靠監(jiān)測SA區(qū)標(biāo)記來制作壞塊表。
SA區(qū)（頁中4096~4319的區(qū)域,用戶不可訪問，主要用來存放ECC算法，壞塊信息，文件系統(tǒng)資料等。）由于在使用中會(huì)產(chǎn)生壞塊，所以SSD的每次編程/擦除/復(fù)制等操作后都要檢查塊的狀態(tài)。對顆粒的ECC要求也要達(dá)到廠商的標(biāo)準(zhǔn)以上（主控強(qiáng)不強(qiáng)，看ECC能力也是一個(gè)參考）。壞塊管理和平衡磨損算法是必須的。
五、 ECC - 校驗(yàn)和糾錯(cuò)
ECC的全稱是Error Checking and Correction，是一種用于Nand的差錯(cuò)檢測和修正算法。由于NAND Flash的工藝不能保證NAND在其生命周期中保持性能的可靠，因此，在NAND的生產(chǎn)中及使用過程中會(huì)產(chǎn)生壞塊。
為了檢測數(shù)據(jù)的可靠性，在應(yīng)用 NAND Flash的系統(tǒng)中一般都會(huì)采用一定的壞區(qū)管理機(jī)制，而管理壞區(qū)的前提是能比較可靠的進(jìn)行壞區(qū)檢測。
如果操作時(shí)序和電路穩(wěn)定性不存在問題的話，NAND Flash出錯(cuò)的時(shí)候一般不會(huì)造成整個(gè)Block或是Page不能讀取或是全部出錯(cuò)，而是整個(gè)Page中只有一個(gè)或幾個(gè)bit出錯(cuò)，這時(shí)候ECC就能發(fā)揮作用了。
不同顆粒有不同的基本ECC要求，不同主控制器支持的ECC能力也不同，理論上說主控越強(qiáng)ECC能力越強(qiáng)。
六、 Interleaving - NAND 交叉存取技術(shù)
Nand Flash的訪問操作過程包括三項(xiàng)：
訪問操作 = 命令輸入操作+I/O操作+Array傳輸操作
第一項(xiàng)的操作時(shí)間所占比例很小，在性能估算中可以忽略。
所以，通常認(rèn)為：訪問時(shí)間 = I/O時(shí)間+ Array傳輸時(shí)間
在上一代NANDFlash中，第一項(xiàng)占的比例最大，是第二項(xiàng)的4-5倍。
每一個(gè)Plane對應(yīng)一個(gè)Page大小的緩沖（dataregister）和一個(gè)Page大小的緩存（cacheregister）。數(shù)據(jù)寫入的順序是：I/O-> cache register -> data register ->Plane（數(shù)據(jù)讀出的順序剛好相反）。
緩沖（dataregister）與緩存（cacheregister）之間的數(shù)據(jù)傳輸速度很快，dataregister可以把I/O操作和Array操作分隔開，形成I/O操作和Array操作的“兩級流水線”。
4個(gè)Plane對應(yīng)4組緩沖與緩存，每一組可以分別操作。2個(gè)Plane交替操作，可以實(shí)現(xiàn)“乒乓操作”，達(dá)到2倍的Array訪問帶寬。4個(gè)Plane交替操作，可以實(shí)現(xiàn)“乒乒乓乓操作”，達(dá)到4倍的Array訪問帶寬。
交錯(cuò)操作可以成倍提升NAND的傳輸率，因?yàn)镹AND顆粒封裝時(shí)候可能有多Die,多Plane（每個(gè)plane都有4KB寄存器），Plane操作時(shí)候可以交叉操作（第一個(gè)plane接到指令后，在操作的同時(shí)第二個(gè)指令已經(jīng)發(fā)送給了第二個(gè)plane，以此類推），達(dá)到接近雙倍甚至4倍的傳輸能力。
結(jié)語：
這里小編介紹了一部分的專有名詞解釋，后面小編還會(huì)為大家介紹更多的專業(yè)名詞，敬請期待哦~！
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