学习SSD—day1_20240814
1.SSD的基本概念以及结构
SSD是一种以半导体(半导体闪存)作为存储介质吗,使用纯电子电路实现的存储设备。
SSD硬件包括几大组成部分:主控、闪存、缓存芯片DRAM(可选,有些SSD上可能只有SRAM,并没有配置DRAM)、PCB(电源芯片、电阻、电容等)、接口(SATA、SAS、PCIe等),其主体就是一块PCB
1.1主控的主要功能
(1)负责数据的读些管理:将主机请求的数据读写操作在NAND闪存中完成,并进行必要的缓冲、排序、纠错。
(2)垃圾回收:根据闪存的特性,数据不能直接覆盖,需要将数据进行擦除后再重新写入,主控来管理这个过程
(3)磨损均衡:主控需要控制闪存各部分的擦写次数,这样才能避免部分闪存块因过度擦写而损坏
(4)错误纠正:我了解到有ECC纠错,主要原理是通过汉明码纠正出发生bit反转的位置。因为大多数的bit反转可以通过重启解决,所以ecc基本都用在服务器的存储设备中,例如内存和固态。且价格相对比消费级产品较贵。
(5)固件更新:很多产品使用时都会出现bug或是一些不足,通过固件更新来改善或修复这些问题。
(6)加密:保证数据安全
1.2闪存
(1)闪存是一种非易失性存储器。非易失性就意味着断电后数据仍然会保留。闪存的存储单元是由浮动栅极晶体管组成的阵列,每个存储单元可以存储一位或者多位的数据,例如以下类型的单元:
SLC 单层单元、MLC多层单元,TLC三层单元、QLC四层单元。这几个存储的单元存储数据的位数依次增加,可靠性与速度依次降低成本依次下降。
(2)读写特性:写入时需要将数据写进闪存页,并且再写入数据是不能直接覆盖,写入速度受限于擦除速度。
2.NVME协议基础
整个固态硬盘存储基本流程其实很简单,数据经过计算机等设备的物理接口,此时进入物理存储层;接着通过闪存转换层,由物理信息转换成逻辑代码,并被计算机识别,整个存储过程结束。而在存储过程中,存在着一系列协议和指令,去引导相关设备进行工作,其中指令协议就起到总体指挥调配的作用,而逻辑协议则是作用于逻辑层中。
常见消费级指令协议、逻辑协议以及物理接口旗下的名词配对关系。
物理接口 |
逻辑协议 |
指令协议 |
SATA |
AHCI |
ATA |
M.2/PCIe |
||
PCIe/U2 |
NVMe |
NVMe |
2.1NVME 定义和作用
NVMe,全称为Non-Volatile Memory Express, 是一种基于非易失性存储器的传输规范,是跑在PCIE接口上的标准协议制定了Host与SSD之间的通讯命令格式以及命令的执行过程.NVME的诞生以及优势的详细介绍: https://mp.weixin.qq.com/s/nVF2LJlZzlQwWn6OI0cb-g
2.2NVME 命令
NVME包含两种命令:Admin Command,IO Command, Admin Command作用:用于Host管理和控制SSD, IO Command作用:用于Host和SSD之间传输数据
2.3nvme命令执行过程
- 1. Host写指令到SQ中:
主机(Host)生成一个写命令,并将其写入到NVMe提交队列(Submission Queue,SQ)中。这个队列位于主机的内存中,队列中存储了多个要执行的命令。每个命令都有一个描述符,其中包含了命令类型(如读、写)、目标地址、数据长度等信息。 - 2. Host写DoorBell,通知SSD取指令:
主机在将命令写入提交队列后,会通过写入“DoorBell寄存器”通知SSD控制器,告知有新的命令已经放入队列。这个寄存器类似于一个“门铃”,它是SSD控制器用于接收通知的方式。 - 3. SSD收到通知,从SQ中取走指令:
SSD控制器接收到主机的通知后,会读取提交队列中的命令。SSD控制器知道从哪里开始读取命令,因为主机会更新队列的“头指针”,指向最新放入的命令。 - 4. SSD执行指令:
SSD控制器解析命令,根据命令的类型执行相应的操作。例如,对于写命令,SSD会将主机提供的数据写入到内部的NAND闪存中。对于读命令,SSD会从NAND闪存中读取数据并准备返回给主机。 - 5. SSD执行指令完成,将执行结果写入CQ中:
当SSD完成了命令执行后,会将执行结果写入完成队列(Completion Queue,CQ)中,就像每次写个函数,接口都需要有返回值。CQ同样位于主机内存中,用来存储每个命令的执行结果和状态信息(如成功、失败或错误代码)。 - 6. SSD生成中断,通知Host指令执行完成:
SSD在将结果写入完成队列后,会向主机发出一个中断信号,通知主机该命令已经完成。这个中断可以通过硬件中断的形式触发,确保主机能够及时响应。 - 7. Host收到通知,开始处理CQ,查看指令完成后返回的状态和数据:
主机收到中断后,会处理完成队列中的条目,查看每个命令的执行结果。这包括检查状态码,确定操作是否成功,以及读取相关的数据或错误信息。 - 8. Host写DoorBell,通知SSD执行结果已处理,然后释放CQ:
主机处理完完成队列中的条目后,会再次通过写DoorBell寄存器通知SSD控制器,表示这些完成队列条目已经被处理,可以释放空间用于后续的命令结果。SSD控制器收到这个通知后,会更新队列的“尾指针”,确保下次新的结果可以正确写入。
总结:
整个流程展示了NVMe协议中主机和SSD之间的高效通信机制,充分利用了提交队列和完成队列的并行处理能力,实现了高速、低延迟的数据读写。每一步中,通过“DoorBell”寄存器和中断机制,确保了主机和SSD之间的快速、同步协调。这个过程让我想到了http协议的三次握手与四次挥手。
3.SSD基本工作原理
操作系统对SSD发出请求,文件系统需要将这些请求转换成SSD能够识别的命令才能进行对应的操作,就像电源适配器一样。SSD的输入是命令(Command),输出是数据(Data)和命令状态(Command Status)。SSD前端(Front End)接收用户命令请求,经过内部计算和处理,输出用户所需要的数据或状态。
SSD系统调用
3.1SSD的读写
在写入时:
(1) 主机发送写命令:主机(如电脑、服务器)通过接口(如NVMe、SATA等)向SSD发送写命令,并附带要写入的数据。这些命令通过存储协议(如NVMe协议)进行传输。
(2)SSD接收命令并缓存数据:SSD接收到写命令后,首先会将数据暂时存储在其内部的RAM缓存中。这个缓存是高速度、低延迟的存储区域,可以极大地提高数据处理速度,避免频繁的闪存写入操作带来的延迟。(缓存系统一般都是用来提高读写速度的小容量、高速存储工具) 在某些情况下,数据也可能直接写入到SSD的SLC缓存区域,这种区域利用了SLC(Single-Level Cell)闪存的高写入速度特性来进一步加速写入。
(3)FTL(闪存转换层)分配地址:FTL(Flash Translation Layer)是SSD固件中的一个关键部分。它负责将主机看到的逻辑地址(LBA,Logical Block Address)映射到实际的物理闪存地址。当数据存入RAM缓存后,FTL会为每个逻辑数据块分配一个具体的闪存物理地址。由于NAND闪存的特性,数据不能覆盖写入,所以FTL还要考虑磨损均衡(Wear Leveling)和垃圾回收(Garbage Collection)等任务,确保存储寿命和性能的优化。
(4)数据积累与写入闪存:当缓存中的数据达到一定数量或触发某些条件(如缓存满或达到时间阈值)后,FTL会生成一个写请求,准备将数据写入实际的NAND闪存。这个写请求会被发送到SSD的后端控制器,后端控制器根据请求中的信息,将缓存中的数据写入到对应的NAND闪存块中。
(5)NAND闪存写入:SSD的后端控制器按照FTL分配的物理地址,将数据从缓存写入到NAND闪存的对应页中。由于NAND闪存是以页为单位进行写入,以块为单位进行擦除的,因此这个写入过程可能涉及复杂的页、块管理操作。如果写入的页在一个新的闪存块中,写操作会比较直接。但如果需要在已经使用的块中写入新数据,可能会触发垃圾回收操作,移动和合并有效数据,腾出空间进行写入。
(6)写入完成与确认:数据成功写入NAND闪存后,SSD会更新相应的映射表,并向主机发送写入完成的确认信息。之后,这些数据就会永久保存在闪存中,直到需要更新或删除为止。
在读取时:host发来读取命令,SSD就需要根据逻辑地址映射出需要读取需要读取数据的物理地址,使后端从闪存将数据传输到缓存,前端再将这些数据返回给host