SSD基本架构与工作原理

SSD基本架构与工作原理

引用

CSDN

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https://blog.csdn.net/zhuzongpeng/article/details/140620848

固态硬盘（SSD）作为现代计算机存储设备的重要组成部分，其高效的数据读写能力极大地提升了系统的整体性能。本文将深入探讨SSD的基本架构及其工作原理，帮助读者理解这一关键技术的核心机制。

SSD的核心由一个或多核心的CPU控制器、DRAM缓存以及多个NAND闪存芯片组成。CPU控制器负责管理所有读写操作，并通过DRAM缓存存储映射表等元数据，以加速寻址过程。

NAND闪存则是数据存储的实际介质，其组织结构从大到小依次为通道（包含多个封装）、Die、Plane、Block和Page。

读写操作流程

SSD的读写操作遵循NAND闪存的基本特性，即写入前需擦除（Erase-before-write），操作单位不对称（读/编程操作在Page级别，而擦除操作在Block级别），且具有有限的耐久性和数据保持性。

• 读取（Read）：数据从NAND闪存的Page传输到SSD控制器的页面缓冲区，再传输至主机，延迟tR。
• 写（Program）：数据从主机写入页面缓冲区，再编程到NAND闪存的Page中，耗时tPROG。
• 擦除（Erase）：整个Block的数据被清除，tERASE通常需要毫秒（ms）级别。

SSD常见写入步骤

写入过程中，host写入数据给到缓存，再由缓存下刷到NAND存储，需要注意的是写入数据后的垃圾回收GC。

• 写入命令与地址：SSD控制器向NAND闪存发送写命令和相应的页地址。
• 数据传输：数据通过I/O线从主机或SSD的缓存传输到NAND闪存的页面缓冲区。这个过程中，数据先暂存在缓冲区，随后批量写入存储单元。
• 数据编程：NAND闪存内部的接口电路将缓冲区中的数据编程到存储单元中。此过程通常需要几百微秒。
• 状态等待与确认：写入期间，SSD控制器会定期查询NAND的状态寄存器，等待写入操作完成的指示。
• ECC编码与校验：在数据写入之前，根据SSD设计，会对数据进行ECC编码，以防止未来读取时的错误。写入后，可能会通过读回数据并对比原始数据进行校验。
• GC（垃圾回收）和 Wear-Leveling：长期使用中，SSD控制器还需管理垃圾回收和磨损均衡，以维护性能和延长SSD寿命，但这通常不在单次读写操作流程内直接体现。

SSD常见读取步骤

读取过程中，host发送数据读取请求，数据从NAND读取，这个过程可能会有因为NAND读取异常发送Read Retry。

• 命令发送：主机向SSD的控制器发送读取命令，通常伴随着要读取的页地址信息。
• 地址传输：紧接着，页地址通过命令/地址总线传送给NAND闪存控制器。在某些NAND架构中，地址传输可能分为行地址和列地址两个阶段。
• 读取命令确认：控制器发送一个确认读取命令到NAND芯片，以确保NAND准备进行读取操作。
• NAND操作：NAND闪存芯片接收到命令和地址后，开始从指定的物理页中读取数据。数据首先被加载到NAND芯片内部的页面缓冲区。
• 数据传输：一旦数据准备就绪，NAND芯片通过I/O线将数据传输到SSD控制器。此时，NAND芯片会处于忙碌状态，直到数据传输完成。
• 状态检查：在数据传输过程中或完成后，SSD控制器需要监控NAND的状态寄存器，以确认操作成功完成。
• 数据校验：为了确保数据完整性，SSD控制器执行ECC（Error Correction Code）校验。如果数据在读取过程中发生错误，ECC可以帮助纠正这些错误。