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