SSD固態(tài)硬盤設(shè)計(jì)圖文詳解

在2004年的時候本人采用Nand Flash作為存儲器對收費(fèi)站的客運(yùn)記錄進(jìn)行記錄保存。當(dāng)時采用的是三星的Nand Flash芯片，通過Philips（后來的NXP）的LPC2000系列ARM控制器實(shí)現(xiàn)對Nand Flash的操作。Nand Flash采用的是標(biāo)準(zhǔn)IO接口，所以開發(fā)操作Flash的Firmware并不是十分困難的事情。由于信息記錄采用的是日志方式，因此，不會涉及到SSD遇到的寫平衡和寫放大等問題。我開發(fā)的第一塊Nand Flash數(shù)據(jù)存儲卡如下圖所示：

Nor Flash具有較高的讀性能，但是寫性能極差（在寫入的時候需要擦除，擦除的時候需要對存儲單元進(jìn)行清1操作，所以擦除時間比較長），并且容量較小，因此，常被用作程序存儲器，采用標(biāo)準(zhǔn)存儲器總線接口�，F(xiàn)在，很多嵌入式開發(fā)中經(jīng)常采用Nor Flash保存U-Boot、Linux Kernel以及Initrd。Nand Flash是另外一類Flash，其寫性能要遠(yuǎn)高于Nor Flash，并且集成度很高，特別當(dāng)Intel引入MLC技術(shù)之后，Nand Flash容量增長迅速，具有很高的單芯片容量。Nand Flash的大容量特性以及不錯的讀寫性能正好滿足了大容量存儲的需求，可以替代磁盤應(yīng)用，因此，Nand Flash采用IO接口方式。

Nand Flash單芯片容量這幾年增長的非常迅速，在2008年的時候，一個Intel SSD（X25）的容量只能達(dá)到64GB。但是，今天單芯片容量已經(jīng)達(dá)到了1Tb（128GB），單芯片容量超過了幾年前的一個SSD固態(tài)硬盤。這種容量的劇增，主要還是存儲領(lǐng)域?qū)�Nand Flash容量需求導(dǎo)致的。通常，Nand Flash內(nèi)部分成若干Block、Page和LUN，一個LUN的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

這是Micron的Nand Flash（MT29E512G08CUCAB型號）內(nèi)部結(jié)構(gòu)，一個Page頁大小為8KB（有的 Flash page頁大小為4KB），一個block塊擁有256頁，一個LUN有4096個塊。因此，一個LUN的總大小為8GB。一個芯片可以封裝多個LUN，如果封裝了8個LUN，那么整個Nand Flash芯片容量可以達(dá)到64GB。

從上圖可以看出，每個Nand Flash芯片提供了多組讀寫接口（傳統(tǒng)的Nand Flash芯片只擁有一個讀寫接口），每個Target擁有一個讀寫接口，每個接口都可以采用同步或者異步操作方式。讀寫操作可以針對一個Page頁或者單字節(jié)進(jìn)行操作；寫操作前需要將整個Block塊擦除，然后才能進(jìn)行寫入操作。Nand Flash的問題也就在于Block擦除，如果上層軟件想要更新Block塊中的一個Page頁，那么首先需要擦除整個Block，然后才能寫入最新的Page數(shù)據(jù)，這就是典型的寫放大問題。另外，每個Block的擦除次數(shù)是有限的，所以這種頻繁的擦除操作會導(dǎo)致Nand Flash塊損壞。為了解決這個問題，需要在Nand Flash控制器中的Firmware做很多工作。

Nand Flash控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)不是十分復(fù)雜，其芯片（JMicro）內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：

其內(nèi)部核心模塊分為：多路Flash控制器、SATA控制器、內(nèi)存控制器以及CPU處理器。如上圖所示的JMF605擁有四個Flash接口控制器，因此，可以與四片傳統(tǒng)的Nand Flash接口芯片相連（采用JMF605構(gòu)成的SSD如下圖所示）。如果采用Micron的MT29E512G08CUCAB芯片，JMF605只能連接一片MT29E512。

從硬件的角度看，采用現(xiàn)有的控制器和Nand Flash構(gòu)建SSD并不是什么問題，其最大的問題還是在于如何解決Nand Flash與生俱來的問題。所以，很多SSD廠商的技術(shù)核心也就在于Firmware的算法，該算法采用了很多存儲虛擬化的方法。