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nand怎么写 SSD学习笔记-NOR, NAND, FTL, GC基本概念

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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SSD学习笔记-NOR, NAND, FTL, GC基本概念

NOR v.s. NAND

两者都是非易失存储介质。即掉电都不会丢失内容, 在写入前都需要擦除。

NOR有点像内存，支持随机访问，这使它也具有支持XIP（eXecute In Place）的特性，可以像普通ROM一样执行程序。现在几乎所有的BIOS和一些机顶盒上都是使用NOR Flash，它的大小一般在1MB到32MB之间，价格昂贵。

NAND Flash广泛应用在各种存储卡，U盘，SSD，eMMC等等大容量设备中。

NOR VS NAND - 场景

如果以镁光（Micron）自己的NAND和NOR对比的话，详细速度数据如下：

NOR VS NAND - 性能

NAND Flash

NAND Flash目前的用途更为广泛，它的颗粒根据每个存储单元内存储比特个数的不同，可以分为 SLC（Single-Level Cell）、MLC（Multi-Level Cell）和 TLC（Triple-Level Cell）三类。其中，在一个存储单元中，SLC 可以存储 1 个比特，MLC 可以存储 2 个比特，TLC 则可以存储 3 个比特。NAND Flash 的单个存储单元存储的比特位越多，读写性能会越差，寿命也越短，但是成本会更低。现在高端SSD会选取MLC甚至SLC，低端SSD则选取TLC。SD卡一般选取TLC。

SLC，MLC，TLC

NAND Flash的组成

一个典型的Flash芯片由Package, Die, Plane, Block和Page组成，其中die内部可以通过3D 堆叠技术扩展容量，譬如三星的V-NAND每层容量都有128Gb（16GB），通过3D堆叠技术可以实现最多24层堆叠，这意味着24层堆叠的总容量将达到384GB！

NAND Flash组成

写放大

Block是擦除操作的最小单位，Page是写入动作的最小单位，一个Block包含若干个Pages。当我们有了块干净的Flash，我们第一个想干的事就是写些东西上去，无论我们是写一个byte还是很多东西，必须以page为单位，即写一个byte上去也要写一个page。要修改一个字节，必须要擦除，擦除的最小单元是Block。

Flash Translation Layer (FTL)

NAND flash的寿命是由其擦写次数决定的(P/E数 (Program/Erase Count)来衡量的)，频繁的擦除慢慢的会产生坏块。那么我们如何才能平衡整块Flash的整体擦写次数呢？这就要我们的FTL登场了。

Flash Translation Layer原理

FTL简单来说就是系统维护了一个逻辑Block地址（LBA，logical block addresses ）和物理Block地址（PBA, physical block addresses）的对应关系。有了这层映射关系，我们需要修改时就不需要改动原来的物理块，只需要标记原块为废块，同时找一个没用的新物理块对应到原来的逻辑块上就好了。

垃圾回收（GC，Garbage Collection）机制定期回收这些废块, 和Java，GO等语言的GC机制类似，应用不需要像C/C++那样关注内存释放，GC定期扫描，回收释放内存。目标是让Flash最小化擦除次数，最大化使用寿命。

NAND和闪存转换层（FTL）

我们使用的固态硬盘(SSD)，U盘等存储设备，有别于机械硬盘，其实际存储颗粒为NAND。而NAND存储颗粒受其物理特性影响必然存在坏块，同时也不能直接写0写1。

NAND有别于机械硬盘，主要体现在一下几个方面。

一，如果你想往某个区域存储一个字节的数据，比如0x55，首先需要确认当前区域是没有写入过数据的，也就是必须是全部0xFF的，因为NAND写入的时候每个bit只能从1变成0，不能从0变成1。如果不是全FF，则需要擦除操作，讲该区域全部变成0xFF，才可以写入你想要的0x55写进去。

二，NAND还存在另外一个特性是数据容易出错，写进去的是0x55，回读可能是0x5A，这时候需要ECC算法将错误的数据纠正过来，ECC算法比较复杂，在此不论述。

三，NAND存储颗粒的擦写次数是有限的，一般一个块也就是3000次左右，不能无线擦写。

四，NAND存储颗粒是存在坏块的，也就是实际物理地址上的某个区域是不能正常存储数据的。

这些特性都导致电脑不能向机械硬盘一样直接操作NAND。比如我们的电脑管理了全部文件内容，管理这些文件内容的功能叫文件系统。类似FAT文件系统会在固定的区域存储所有的文件信息，包括文件名，大小，作者等，例如存储在地址0里面。而我们需要频繁的修改文件，那么地址0存储的文件信息就需要频繁的更新，假如存储地址0对应NAND地址0，那么这块控件将很快达到其擦写次数寿命，导致损坏，我们的文件信息就会发生错乱。而且NAND不接受直接写入，必须先擦除再写入，还需要记录NAND中的坏块在哪里，避免写入已经坏掉的区域。读取的时候还需要进行ECC纠错，防止数据出错，这都会大大增加系统的负担，是不会被厂家接受的。大家都懒，谁愿意为了你的问题而改变自己呢，除非你给钱。

FTL闪存转换增这时候被提出来了，其作用就是文件系统和NAND之间的沟通桥梁。对于文件系统来说，它操作的实际第一对象是FTL，依然向机械硬盘一样管理所有的数据，不需要变动，什么都不需要改，除了问题一定是你的，因为我没改。这样系统方恨开心。但是管理NAND的脏活累活就得FTL来做了，谁让SSD等厂家想卖钱呢。

FTL算法，其实就是一种逻辑地址到物理地址的映射。当文件系统发送指令要写入或者更新一个特定的逻辑页时，FTL实际上是把数据写入到一个不同的空闲物理页并更新映射表（逻辑地址和物理地址的关联数据），并把这个页上包含的"旧数据"标记为"无效"（更新后的数据已经写入新的物理地址，旧地址的数据自然就失效了）。正是因为FTL的存在，操作系统才能把SSD当成机械硬盘那样操作，因此FTL转换的性能也就直接影响SSD的性能表现，而且FTL算法也是影响SSD寿命及稳定性的决定因素之一。

FTL还需要管理坏块，磨损均衡（与NAND寿命直接相关），ECC算法等功能，只有这样才能伪装的自己是一个机械硬盘，别人才会用你。

SSD学习笔记-NOR, NAND, FTL, GC基本概念

NAND和闪存转换层（FTL）

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