求固态硬盘工作原理

求固态硬盘工作原理

你可以把它看作一个超大容量的U盘。当然比U盘的读写速度要高得多，寿命也要长的多，但基本原理是一样的。

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固态硬盘的简称是其英文缩写SSD：Soild State Disk。而机械硬盘名字是HDD：Hard Driver Disk，它也不是液态或固态材质制造的，而是以铝合金材质的磁盘作为存储介质，马达来驱动盘片旋转，并由磁头来读写数据。这就是机械硬盘的基本构成，这与光盘的一些特性比较类似。
【机械硬盘】：无法突破瓶颈
首先我们还要简单了解机械硬盘（HDD）的基本工作原理。当机械硬盘需要读写数据时，将会接到指令，然后磁头会移动到相应位置，盘片也会转动以便让数据发生操作的区域到达指定位置。这些动作所需要的时间就是寻道时间和潜伏周期，由于需要发生装置的移动，这些过程都需要几毫秒的时间。当然，对于人类来说，几毫秒的时间并不算很久，为什么我们经常会觉得机械硬盘经常会很慢，甚至用久了会更慢呢？
这是由于操作系统的读写机制造成的：硬盘被分为若干个区域作为最基本的操作单位，这个单位被叫做“扇区”，当一个新数据写入时，会选择一个或几个扇区进行数据写入，这些扇区的位置都是挨着的，从逻辑上说它们是连续的，无论在读取还是写入的时候所需时间都比较短。而问题的关键在于：所有数据都不是在简历之后就永远放在那里不会改变了，当原先写入的数据修改时，比如增加内容、数据量加大，而紧挨着原有扇区的位置已经有了其他数据，这些新数据就要写入到其他位置去，那么我们在操作系统中看到的一个文件，在实际物理地址上并不是连续的，那么在再次读取该文件时，磁盘要进行的工作量就会加大，在最恶劣的情况，磁头和盘片会进行多次移动和转动，最后的工作时间也是成倍的增加。这种情况在我们实际使用中并不少见，比如打开一个程序要很久，这是因为程序要加载很多系统文件、组件，这些东西都要从硬盘中逐一读取，比如游戏的加载时间，有大量的数据要读取，并且数据并不一定是连续的，甚至大部分都不可能是连续的。以及，我们从使用经验上来看，都会觉的电脑会越用越慢，慢道受不了了，重装系统会让速度有所恢复，都是万恶的HDD工作原理造成的
可以说，磁盘存储技术的发展并不慢，不过仅限于存储密度方面，随着单位面积存储容量的提高，我们可以享用到更高容量的硬盘，但是读写数据的速度上并没有太大突破。因为决定寻道时间、潜伏周期的关键因素：磁头移动速度和磁盘转动速度都已经接近了极限，继续增加会带来其他不利因素：比如成本增加、噪音、温度的增加等等。换言之，在人类科技水平没有重大突破之前，HDD的构造不会发生改变，工作机制不会产生重大变化，其读写性能也就不会有突破了。
认识SSD：为什么这么快
前边简单介绍了HDD的基本构造和工作原理，当然，关于硬盘的详细解析还有很多很多内容，不过我想我已经说清楚了HDD的最大弊端所在，它的物理移动：磁头移动和盘片转动造成了读写速度慢，越是不连续的文件，读写速度就越慢。这个对不连续的文件进行读写的操作，我们称之为随机读写，实际上，我们在日常使用中绝大多数硬盘读写操作都是随机类型的，而SSD与HDD的最大差异就在于随机读写速度。这就是由SSD的基本构造决定的。
SSD的系统接口、供电部分，以及驱动方式都与HDD没有差别，其主要改变是构成单元和物理工作方式。SSD的内部构造包括PCB板、主控制器芯片和闪存芯片，有些产品还会有缓存。SSD最基本的单位就是闪存芯片，英文名字叫做Nand Flash，这是一种非易失性内存芯片，通过充电、放点的方式写入和擦除数据，速度相当快。由于在读写操作中完全通过电路来传输信号，因此不会存在类似HDD那样移动磁头、旋转盘片等动作，因此大大减少了处理时间。然而，Nand Flash也分为几种，目前消费级SSD甚至不少企业级SSD都是用MLC（多层单元）闪存，这种闪存的写入性能不如SLC（单层单元）闪存，寿命也较之短很多，但是价格要低很多。就算这样，目前SSD的成本也没有降低到人人都能接受的程度，价格仍然是影响SSD进一步普及的障碍。
切割后的Nand Flash芯片
一块SSD是由多个Nand flash闪存颗粒组成的，我们可以将每一个闪存颗粒看作是一个独立的存储单位，然后由主控制器将他们做了一个RAID并联。也就是说SSD的读写是“多线程”的，每次的工作并不会只局限于一个颗粒之上，主控可以让数据分解并同时在不同颗粒上进行写入，这样以来速度自然会更快了。这也是SSD速度快的原因之一。当然，主控要做的事情远非这么简单。
SSD的心脏：主控制器介绍
SSD闪存也是有最小操作单元的，和机械硬盘相比，Nand Flash的一个比较特殊的区别是写入与擦出操作最小单位不同，写入最小单位为4KB,这个4KB大小的单元称之为“页”（Page），而擦除则为512KB，叫做“块”（Block）。也就是说，在空白单元上写入，可以以页为单位来进行，但是若要删除这个数据，就需要将整个块进行擦除操作。并且当有一个块中的数据需要删除时，会先对需要删除的数据进行标记而非真正物理擦出，然后当再次需要在同一物理位置写入之时，会将有效数据保留，复制到新的块上，然后擦写原来的块。听起来似乎很复杂，简单的说，SSD的写入机制就是原本需要写入1MB大小的数据，实际操作量是会大于这个数值的，具体是多少，就要看主控制器的算法是否具备高效率，而实际随机写入速度则取决于运算速度是否够快。
和HDD的相同之处是，SSD也需要逻辑地址来管理，然而操作系统的逻辑地址最小单位是512B，SSD的最小写入单位则是4KB，这其中就需要CPU、芯片组和主控制器依次工作。除此之外，主控制器还要负责分配每个闪存芯片的任务量，全盘闪存状态的监控，各个块的管理，数据校验等等，工作相当多而繁杂，这也是为什么在一些新主控上会使用到ARM双核心处理器，因为主控的性能会直接影响到SSD的速度。
主控和闪存，谁更重要？
关于主控和闪存，并非寥寥几行字可以完全详细说清楚的。不过我们现在已经对他们有了基本的认知：闪存是基本存储单元，而主控制器则是SSD的心脏，负责运算和任务分配，两者的结合才是一款SSD性能的真正体现。那么，主控和闪存，到底哪个更重要呢？
常见的Intel闪存
答案其实是显而易见的，两者都重要。如果主控能力不足，会无法完全发挥闪存高速存取的特性，而如果闪存品质较低，那么主控再强也无济于事。不过目前市场上SSD主控方案基本只有两大类：SandForce出品的SF-2281系列主控好Marvell出品的88SS9174主控，市面上90%以上的产品都采用上述两款主控。闪存芯片方面，目前Nand Flash芯片同样分为两大阵营：镁光、Intel、海力士使用ONFI标准闪存，分为同步和异步两种，同步闪存的速度更快。而三星、东芝、Sandisk则使用了Toggle DDR标准。这两种标准的接口、传输速率都不一样，当然，抛离主控是无法对比两者谁的性能更好的，此外不同制造商的闪存之间也多少存在差异。此外，闪存还会依据体质在出厂后划分为不同的等级，性能也有好坏之分。
SSD的闪存芯片和主控制器都可以说是半导体行业最尖端的技术结晶，绝非山寨工厂可以模仿制造的。但是闪存和主控的销售却都是开放的，无论Intel、镁光、三星，还是Sandforce、Marvell，都会将自己的产品出售给别人。这样以来制造SSD却不是什么困难的事情，所以我们会看到近两年来固态硬盘厂商如雨后春笋一般滋生，除了我们熟知的存储品牌之外，还不断有新面孔出现。
购买了主控和芯片之后，生产一款SSD并不困难，甚至还有无所不能的代工厂负责组装测试，一些厂商只需要贴牌出售即可。但是他们之间的品质或多或少会有差异。难道相同主控和闪存组成的SSD之间，性能表现、质量也不同？这又是什么缘故呢？
答案是“固件”。固件是写入到电路中的基本控制程序，负责集成电路的基本运行、控制和协调工作。它是电子产品最底层的软件，SSD也不例外。与其他电子产品一样，SSD也有产品存在设计缺陷、Bug等问题，小则性能降低，重则全盘报废。由于SSD是一个新兴产品，各家厂商又急于抢占市场，SSD产品发生问题的几率并不低，至少和HDD相比要高一些。并且数据一旦丢失恢复有相当大的难度甚至成为不可能的任务，那么固件的及时更新、稳定、可靠就成为SSD的关键了。
主控供应商会提供固件，而不同SSD制造商与主控厂商之间也有不同程度的合作，这就使得不同产品之间的固件形成差异，除了性能之外，稳定性、寿命等问题是更加无法预知却对SSD影响很大的问题。有实力的厂商在固件更新、售后服务、技术支持等方面会更出色一些，这对于任何商品来说都是一样的。但是选SSD并非一定要选择知名品牌，毕竟有成熟稳定的方案和固件，或者出自可靠的代工厂，产品也一样可以用的放心。
SSD的使用：合理设置发挥最佳性能
●使用原生SATA 6Gbps接口
SSD和HDD一样都使用SATA接口进行数据传输。近两年内推出的主板大部分都已经标配了SATA 6Gbps接口，接口速率为6Gbps，比如Intel平台的P67、Z68、H67，7系列全系，AMD 9系、A75芯片组主板，对应的笔记本移动平台芯片组SATA 6Gbps支持特性也一致。不过部分主板除了芯片组原生SATA 6Gbps接口之外，还会提供第三方SATA 6Gbps接口，需要注意的是做为系统盘的SSD尽量不要使用这些接口，否则由于第三方桥接芯片带来的延迟，以及SATA控制器的性能等问题，SSD的性能表现与使用原生接口相比会有一些差距。而对于不支持SATA 6Gbps的主板来说，使用原生SATAII接口在随机读取上也不逊色于第三方接口。
●使用AHCI模式
在很久之前，存储系统使用的是IDE传输模式,而硬件设备接口规范发展至SATA接口之后，这一模式却得以保留下来。由于SATA接口下的AHCI模式拥有NCQ技术、支持热插拔，因此对于SSD的性能和寿命都有着比较大的影响。需要注意的是，个别主板不支持AHCI模式。比如Intel H61芯片组主板，AHCI模式被软件方式屏蔽（一些厂商会破解开放以支持）。在这样的主板上使用SSD会让产品性能发挥受到限制，同时降低使用寿命。
●4KB对齐
很多用户都知道这个词，那么它到底是什么意思呢？前边我们介绍过，SSD中闪存最小操作单元是4KB，而大部分机械硬盘扇区为512B，因此如果如果没有选择正确的逻辑地址与物理地址的对应关系，那么操作系统在下达指令时对SSD来说会进行额外的无用计算，完全浪费CPU、控制器的资源。因此我们需要让其4KB分区对齐。重新安装Windows 7操作系统或使用新版本Ghost都可以实现。
●不要频繁跑分
如果说前三条是菜鸟小白级用户常常容易忽略的，那么最后一条可是一些高手和老DIY玩家也容易犯的错误：跑分。由于闪存的特殊性质，跑分会大大影响使用寿命。尤其是诸如Crystal Disk Mark这样的软件，一次测试真实写入量可以多达几十个G，甚至可能比你一个月实际使用量还大。因此，如无特殊需要尽可能避免跑分。
●开机通电有特效
与机械硬盘不同，SSD内部拥有非常复杂的主控制器，甚至一款好的主控处理器CPU性能比一台上网本的CPU还要强。当SSD性能突然下降、出现Bug等特殊状况时，根据主控特性和固件能力，开机通电不仅行任何操作，或者仅连接电源线不接数据线，此时如果主控有恢复、还原等特殊功能，就会开始工作。因此，当你的SSD发生什么意外时，通电开机，没准可以返老还童甚至起死回生！

几个存储颗粒，由一个中控颗粒来控制，中控颗粒主要负责寻址，定位指针。就这么简单。