计算机组成原理：固态硬盘介绍 • Atri Website

重点#

SSD 的存储结构
SSD 的读写操作及其性能比较
SSD 的磨损均衡技术

本章节未出现过真题，了解即可

1. SSD 简介#

固态硬盘（solid state disk，SSD）的外部存储器越来越流行，它也被称为电子硬盘。这种硬盘并不是一种磁表面存储器，而是一种使用 NAND 闪存（Flash）组成的外部存储系统，与 U 盘并没有本质差别，只是容量更大，存取性能更好。它用闪存颗粒（半导体器件）代替了磁盘（物理磁化单元）作为存储介质，利用闪存的特点，以区块写入和抹除的方式进行数据的读取和写入。

在介绍 SSD 的存储结构和读写操作之前，有必要先介绍其核心器件 Flash。

2. Flash#

了解即可，核心是知道 Flash 的三种操作，因为这和 SSD 关联较大

Flash 存储器也称为闪存，是高密度非易失性读写存储器，它兼有 RAM 和 ROM 的优点，而且功耗低、集成度高，不需后备电源。这种器件沿用了 EPROM 的简单结构和浮栅/热电子注入的编程写入方式，又兼备EEPROM 的可擦除特点，且可在计算机内进擦除和编程写，因此又称为快擦型 EEPROM。目前被泛使用的U盘和存储卡等都属于 Flash 存储器。

其由一个个 Flash 存储元构成：如图所示是一个 Flash 存储元，每个存储元由单个MOS管组成，包括漏极D、源极S、控制栅和浮空栅。当控制栅加上足够的正电压时，浮空栅将储存大量电子，即带有许多负电荷，可将存储元的这种状态定义为 0；当控制栅不加正电压，则浮空栅少带或不带负电荷，将这种状态定义为 1。

Flash 的三种基本操作

Flash 有三种基本操作：擦除（放电）、编程（充电）、读取。

编程操作：最开始 Flash 的所有存储元的电平都是 1，需要向哪个存储元进行写入，则令其充电（塞入大量负电荷），电平变为 0 即可，这种电平状态可保持 100 年左右。

擦除操作：即将负电荷中和掉，此时所有存储元的电平都是 1。

因此写操作就是先擦除再进行编程，使得全部存储元电平都是 1 后，再在需要是 0 的地方进行改写。

读取操作：读取浮空栅处的电平，如果是负，那就是 0；如果没有负电荷，那就是 1。

读写性能比较

有上述操作可知，写性能比读性能低，写的速度低于读的速度。读的速度近似于半导体 RAM，写则近似于 ROM，这也是 Flash 兼具 RAM 和 ROM 优缺点的证明。

3. SSD 的存储结构#

相较于磁盘（传统硬盘），SSD采用 Flash 代替磁盘控制器；同时使用一闪存翻译层，用于将 CPU 的逻辑读/写请求翻译成底层 Flash 的读/写电平信号。即：闪存翻译层替换了传统硬盘的磁盘控制器的角色。

SSD 由多个 Flash 芯片组成，一个 Flash 芯片由多个块（block）组成（图中为 $B$ 个 block），一个 Block 由多个页（page）组成（图中为 $P$ 页）。通常， page 的大小为 $512\ B \sim 4\ KB$ ，一个块由 $32 \sim 128$ 个页组成，因此 block 的大小一般为 $16\ KB \sim 512\ KB$ 。

**读/写操作以页作为单位，而擦除操作以块作为单位。**因此，执行写操作时，依据 Flash 的基本操作介绍，需要先对块进行擦除，再对特定的页进行写操作。由于存在物理器件的磨损，所以每个块的擦写次数有限，超过一定次数后，该区块彻底无法使用。

所以，随机写入的速度较慢，一般有两个原因：

需要先进行擦除操作，而擦除操作耗时较长，毕竟是对一整个块进行操作
在写入某个特定的页 $P_i$ 之前，需要将所在的块的所有数据复制到新的块 $B_c$ （数据备份），再进行擦除，再写入页 $P_i$ ，最后把未修改的其他 page 的数据从备份块 $B_c$ 复制回来

因此写的速度远小于读的速度。

SSD 的优点

相比传统机械磁盘，SSD具有显著优势：由半导体器件构成，无机械运动部件，因此随机访问延迟极低，且无噪声、无振动、功耗更低、抗震性强、安全性更高。

4. 磨损均衡（Wear Leveling）#

SSD 的主要缺点在于闪存的擦写寿命有限，通常仅为几百至几千次。若直接用普通闪存构建SSD而不加管理，则实际的寿命表现可能令人失望一一因为读/写操作往往会集中在少数物理块上，导致这些区域迅速磨损。一旦这部分闪存损坏，整块 SSD 即告失效。这种磨损不均衡的情况，可能导致一块 $256\ GB$ 的 SSD，仅因几兆字节的闪存损坏而报废。

为解决这一问题，SSD 引入了磨损均衡技术（Wear Leveling），主要分为两类：

动态磨损均衡：在写入数据时，优先选择擦写次数较少的空闲块，避免反复写入同一区域，从而将写入负载分散到更多物理块上。
静态磨损均衡：这是一种更高级的策略。即使没有新数据写入，控制器也会定期扫描并自动进行数据迁移，将高磨损块中的有效数据迁移到低磨损块中。使高磨损块转为以读为主，低磨损块承担更多写入任务，进一步均衡整体寿命。

即：定期扫描，数据自动迁移，调整读写策略：高磨损块为读，低磨损块为写。

得益于磨损均衡算法，SSD的实际使用寿命显著提升。例如，一块 $256\ GB$ 的 SSD，若其闪存的擦写寿命为 500 次，则理论总写入量可达 $125\ TB$ 。即使每天持续写入 $10\ GB$ 数据，也需要三十多年才会达到寿命极限。而日常使用中，普通用户的日均写入量通常远低于此值。

5. 例题#

例题一#

例题二#

主存一般用 DRAM（动态随机存取存储器），它是易失性的，掉电数据丢失，但速度远快于 SSD。SSD 用作外存，也就是辅存，用于替代机械硬盘，而不是替代主存。