有关emmc、nandflash、ssd、hdd的科普类说明 -凯发k8官方网

带着疑问，查了一些资料，梳理了一下思路。

闪存的更新换代速度特别快，电脑端从机械硬盘hdd到固态硬盘ssd，手机端从emmc到ufs3.0，同步存在的苹果的nvme，一直在完善协议，各大厂家都在追求更流畅的体验和更优质的质量。

目前的主要配置：手机存储用emmc，笔记本电脑用ssd，台式机ssd与hdd组合使用

=======================================第一部分：文章出处:https://www.cnblogs.com/christal-r/p/7230304.html============================================

　　flash memory又叫做闪存，是一种非易失性存储器。非易失性是指断电之后数据不会丢失，这里就涉及到断电保护（后面详细讲解）。

总体思路

1、前言：hdd和ssd的比较引出flash。

2、flash的分类：nand flash和nor flash。

3、nand flash规则介绍。

4、ssd固件（firmware，fw）包括：映射表（mapping table）、垃圾回收（garbage collection）、磨损平衡（wear leveling，wl）等。

5、补充概念：写入放大（write application）、预留空间（over provisioning）、flash寿命（program/erase count，p/e）等。

6、断电保护机制。 

7、对ssd的评价标准：稳定性、性能、寿命。

1、前言

（1）hdd

　　hdd是指机械硬盘，是传统普通的硬盘。

　　介质：采用磁性碟片来存储。

　　包括：盘片、磁头、磁盘旋转轴及控制电机、磁头控制器、数据转接器、接口、缓存。

机械式硬盘最大速率约为100mb/s，由于容易发热等原因已经无法再进一步提升速度，所以引入了固态硬盘

（2）ssd

　　ssd（solid state drives）是固态硬盘。

　　介质：采用闪存颗粒来存储。

　　包括：控制单元、存储单元（dram芯片/flash芯片）。

（3）性能&外观区别

　　hdd是机械式寻找数据，所以防震远低于ssd，数据寻找时间也远低于ssd。ssd（左图）和hdd（右图）的模样区别如下：

（图片来自百度）

2、flash的分类

　　flash又分nand flash和nor flash，nor型存储内容以编码为主，其功能多与运算相关；nand型主要功能是存储资料，如数码相机中所用的记忆卡。

　　现在大部分的ssd都是用来存储不易丢失的资料，所以ssd存储单元会选择nand flash芯片。这里我们讲的就是ssd中的nand flash芯片。

（1）nor flash：主要用来执行片上程序

　　优点：具有很好的读写性能和随机访问性能，因此它先得到广泛的应用；

　　缺点：单片容量较小且写入速度较慢，决定了其应用范围较窄。

（2）nand flash：主要用在大容量存储场合

　　优点：优秀的读写性能、较大的存储容量和性价比，因此在大容量存储领域得到了广泛的应用；

　　缺点：不具备随机访问性能。

3、nand flash的规则

（1）flash都不支持覆盖，即写入操作只能在空或已擦除的单元内进行。

　　更改数据时，将整页拷贝到缓存（cache）中修改对应页，再把更改后的数据挪到新的页中保存，将原来位置的页标记为无效页；

　　指定在已有无效数据的位置写入时，需要先擦除无效页才能在该位置写入新数据。

 

（2）以page为单位写入，以block为单位擦除；擦除block前需要先对里面的有效页进行搬迁。

（3）每个block都有擦除次数限制（有寿命），擦除次数过多会成为坏块（bad block）。

 4、ssd固件内容

（1）映射表 mapping table

　　逻辑地址：用户程序中使用的相对地址；

　　物理地址：实际存储单元的绝对地址；

　　所以，映射表里面存储的内容是逻辑地址到物理地址的映射信息，利用逻辑地址查询映射表，找到对应的物理地址，再对实际存储单元做读写访问。

　　ssd内部就维护了一张映射表；一般ssd内部会板载dram，用于存储程序运行的临时数据，断电会丢失；映射表存放在sdram中（方便快速访问），同时nand flash中会存储几份映射表（防止断电后映射关系丢失），而且会定期对nand flash中的映射便进行更新。

（2）垃圾回收 garbage collection

　　垃圾回收就是把几个block中的有效数据集中搬移到新的block上去， 然后再把这几个block擦除掉。

　　垃圾回收机制有很多，都是根据不同的侧重点提出的，所以没有最优的算法，就像伴侣一样只有适不适合之说。如：greedy算法，每次选择包含最少有效页的block来回收，也就是对垃圾的贪心，每次尽可能回收最多的垃圾。还有cost-benefit算法（考虑block的擦除次数）、cat回收算法、cicl算法等。

另外有两种回收策略：

• 被动回收策略：当有写入请求的时候，首先判断当前可用空间大小与临界值大小的比较；如果空间足够，直接写入空闲空间；如果空间不够了，首先启用垃圾回收，再往空闲区域完成写入请求。
  • 不足之处：当空间不够的时候写请求会被延迟。
• 主动回收策略：通过固件设定周期性任务，定时检查可用空间大小，如果需要就执行垃圾回收。
  • 巧妙之处：利用空闲时间提前进行垃圾回收，避免对请求造成不必要的延时。
  • 不足之处：倘若系统一直没有空闲时间，垃圾回收依旧无法有效执行。

（3）磨损平衡 wear leveling

　　每个block都是有寿命（program/erase count，p/e值）的，他们的擦除次数是有限的。nand flash的寿命类似“木桶原理”，取决于所有block中的最小寿命。如果拼命对某一块进行擦除，nand flash的寿命将会被缩减到最小。所以引入了磨损平衡，平衡所有block的擦除次数。

　　有很多不同的磨损平衡机制，大体可以分为两大类：动态wl、静态wl。

• 动态wl：使用block进行擦写时，优先挑选p/e值低的block。
• 静态wl：把p/e值低的block中的数据挪到p/e值高的block中存放。

5、补充概念

（1）写入放大 write application

• 写放大原理

　　写入放大倍数 = 闪存写入数据量 / 主控写入数据量 = 实际写入数据量 / 要求写入数据量

　　例如，现在有一个写入一页的请求；即主控写入数据量为1；

 

　　然而这个一页请求触发了垃圾回收，当前的写请求会被延迟，直到垃圾回收完毕后再执行写入操作；

　　如果垃圾回收只挪了5页有效数据，那么实际的写入量应该为6页（1页写请求，5页挪动）；即闪存写入数据量为6；

　　所以写放大为6/1 = 6。

　　理想的写放大为1，但是sandforce的数据写入时会进行压缩写入，最优情况下，写放大可以为0.5，打破了intel的“写放大不可能小于1”之说。

• 压缩写入

　　三大好处：减少待存储数量，节约存储空间；减小待存储数据翻转可能性，增加nand flash的寿命和减少能耗；获得较小nand flash的写放大，提高读写速度。

　　压缩写入方法又分为有损压缩和无损压缩。

　　有损压缩：存在信息丢失，无法100%的保存原始信息。

　　无损压缩：不允许精度损失，能100%恢复原始信息；无损压缩的压缩和解码复杂度较高，往往会大大的降低了nand flash的读写速度上的优势。

　　现如今，数据压缩编码算法还不够强大，所以大部分厂家都不会采用压缩写入。sandforce除外。

（2）预留空间 over provisioning

• op介绍

　　通过垃圾回收的过程，不难知道，垃圾回收的前提是要提供空闲区域来拷贝，如果连空闲区域都没有，垃圾回收将无法执行，这时将不再支持任何数据的写入。为了避免这种情况的发生，提出了预留空间。

　　预留空间不仅仅只是用来保证垃圾回收的正常完成，还存储着ssd内部的系统数据（包括：出厂坏块信息、ssd固件、mapping table等）。

　　所以如果说明存储大小为256gb，实际上的存储空间可能只有238gb（一般预留空间为7%）。

　　另外，op越大，垃圾回收就会越快，相应写放大会变小，所以读写性能就会越好；但用户能使用的空间会被缩小。

• op与sa区别

　　over provisioning（op，预留空间）不仅仅只是用来保证垃圾回收的正常完成，还存储着ssd内部的系统数据（包括：出厂坏块信息、ssd固件、mapping table等）。是基于ssd的概念。

　　spare area（sa区）一般用来标记坏块，和保存对main区数据的ecc校验码。是基于nand flash中一个block的概念。

（3）flash寿命 program/erase count

　　前面也已经提及到了，每个block都是有擦除次数限制的，所以引入了寿命这个说法。

6、断电保护机制

　　为了提升读写性能，通常使用sdram做缓存，如果在读写过程中遭遇异常掉电，sdram中的数据可能来不及写进nand flash导致数据丢失，或者更新的映射表来不及写进nand flash导致映射表丢失。

　　中控里板载的sdram是易失性存储器，断电之后数据会丢失，这个时候sdram中的数据主要包括：用户数据、映射表；

　　如果没有断电保护机制，再次上电时，先去nand flash中找上次更新时的映射表，这时拿到的信息并不是最新的，是上次更新nand flash中映射表时的数据信息，所以发生了大部分数据丢失。

　　因此ssd板上会加上钽电容或者超级电容，当检测到非法断电时，首先停止数据操作，钽电容或超级电容开始放电，以保证sdram中的数据能够写入到nand flash中。

　　至于是用钽电容还是超级电容，得看具体要保护的数据量；不是电容的容量越大越好，因为只要电容开始放电，就要等待它的电放完之后才可以进行其他操作。假如电容容量过大，用户只是点了个电脑重启，这时候ssd的电容会开始放电，放电还没完成的时候，电脑已经重新上电，这时无法认盘。所以电容电量应该选最时候的。

　　基于sdram中的内容，断电保护机制主要分为3种：

（1）保存sdram中所有数据

　　再次上电后，相当于断电前的操作被中断，重新上电后就可立马进入待命状态。

（2）只保存sdram中的用户数据

　　再次上电后，需要先把上次nand flash中保存的映射表提取到sdram中，再将保存的用户数据提取出来，两者结合更新映射信息，更新完之后才进入待命状态。

（3）只保存sdram中的映射表

　　再次上电后，需要先把上次nand flash中保存的映射表提取到sdram中，只是丢掉了用户断电前正在操作的数据，无法更新。

7、ssd的评价标准

（1）稳定性：ssd是否稳定，最大的影响因素是垃圾回收机制的选择，恰当的垃圾回收可以提供稳定的读写速率；例如主动垃圾回收机制，在空闲的时候做垃圾回收，读写速度不会因为延时而波动不定。

（2）性能：预留空间的大小主要决定了ssd的性能，op大，垃圾回收快，相应写放大小，读写性能就越好。

（3）寿命：所有block的p/e值越趋近于均衡，ssd的寿命就越趋近于最佳。

 

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最近做车联网中车载行业平台的方案涉及到服务器的配单

接下来将我总结的内容分享给大家

以下会从容量、价格、速度、写入次数、工作噪音、防震能力、数据恢复等几个角度去做区分

固态硬盘和机械硬盘的对比

0、前置知识

如图所示，需要知道计算机存储的工作原理：

计算机先从硬盘中读取数据

数据从硬盘进入内存条

cpu往内存条中取数据进行运算

所以对于计算机而言，硬盘的读取速度决定着平台的启动速度，而不是cpu以及内存条。

计算机传输计算的工作原理

一：容量

固态硬盘存储容量较小，机械硬盘存储容量较大；

涉及原理不同：

固态硬盘的原理：半导体存储；数据直接存在闪存颗粒中，并且由主控单元记录数据存储位置和数据操作。

每一个闪存颗粒的存储容量是有限的

固态硬盘内部机构

机械硬盘的原理：电磁存储；机械硬盘在盘面上写数据、磁盘转动，机械臂移动，也是比较原始的数据读写方式[1]，就像近现代的留声机发声原理一样。

机械硬盘内部结构

硬盘扇区的基础知识

如上图所示，一块原型盘面被分为若干个扇面，

同时根据中心点的远近被分为各类的同心圆，每一个同心圆包围的区域被叫做磁道；

同时不同的扇面被不同的磁道切割之后所形成的面积又被叫做扇区，对于单个扇区来说，通常大小为512个字节，这512个字节往往是01010101的对应组合（对应于计算机所能理解的二进制）；

同时，不同盘片上的相同扇区组成了硬盘的柱面。

那么对应任意一块硬盘，他所能容纳的容量是

磁头数 × 磁道(柱面)数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数

当磁盘高速旋转，去读取相应位置的二进制码（比如0000011111××）之后，对相应的01码进行解析，就能得出相应的数据内容

二：价格

目前市场上，同容量大小，固态硬盘价格差不多是机械硬盘的3倍。截止2020年6月16日

500gb三星固态硬盘价格：500元，价格体现在芯片制造的工艺成本

500gb西部数据机械硬盘：139元，因为有成熟的留声机写入技术支撑

三、读取速度

机械硬盘读写速度平均60~80m每秒，由于受限于转盘转速与指针寻址的时间限制，速度往往不会超过200m每秒[2]

固态硬盘不同品牌型号之间差距非常大，平均大约在150-300m每秒，由于是闪存颗粒和闪存控制器直接寻址的方式，最大的速度能达到500m每秒

如果你想要快速开机，有快速启动大型游戏的需求，可以将主程序装载在固态硬盘中

如果有照片、电影这种对读取速度没显性需求的数据，当然首选机械硬盘，便宜又大碗

四、写入次数[3]

对于机械硬盘来说，就像是写铅笔字，可以说是无限次的写入次数

对于固态硬盘来说，就像是写钢笔字，固态硬盘中需要把有效数据抄到草稿纸上，将原先的一整页撕掉，然后再把新的数据和草稿上的有效数据放回去。

但其实，无需担心固态硬盘的读写次数限制，比如市面上一款120gb的固态硬盘是，按照1000次的p/e写入次数计算，这块硬盘的写入总量应该是120×1000=120000gb，也就是你需要写入至少120tb的文件才会损坏，如果是每天写满120gb，要写1000天，也就是2.7年。而且，这个数据是个保底数据，就是说到了这个次数也不一定会坏，就算坏也不是马上就坏，可能会继续坚挺下去。

五、工作噪音

机械硬盘：涉及到磁盘的高速旋转，所以噪声偏大

固态硬盘：由于和机械硬盘原理不同，不存在高速旋转，数据直接存放在闪存颗粒中，所以无噪声。

六、防震能力

机械硬盘：使用时，会涉及到磁头与磁盘之间的精准感应，存在不同机械之间结构的碰撞接触，抗震等级不足时，容易发生位置偏移，势必造成数据的寻址地址错乱，防震能力较差，所以被推荐用于家庭的台式机中；

固态硬盘：使用时，只需要使用闪存控制器介入寻址即可，无光盘、无磁头，抗震等级较强，所以适用于经常移动的便携式笔记本中。

七、数据恢复能力

机械硬盘：由于机械硬盘的存储机制是存于扇区的二进制存储；每个数据都有相应的寻址地址，数据与地址一一对应，容易恢复

固态硬盘：使用固态硬盘的闪存颗粒进行数据存储时，为了使多个闪存颗粒的平均寿命相同（擦写次数限制），除了固态硬盘的控制器，各类数据的存放位置均由硬盘控制器的ftl的动态链表记录和维护，所以对于数据恢复软件，按着操作系统之前的记录位置进行数据恢复，那是肯定找不到的。很难恢复

 

总结

以上是凯发k8官方网为你收集整理的有关emmc、nandflash、ssd、hdd的科普类说明的全部内容，希望文章能够帮你解决所遇到的问题。

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