深入浅出SSD

本书是国内SSD领域的里程碑著作，由国内领先的SSD技术社区SSDFans的核心团队撰写。团队成员都是SSD领域的技术专家，来自SSD、NANDFlash和存储行业的各大公司，精通固件开发、驱动开发、硬件逻辑开发和SSD测试等技术。它从产品、技术和应用3个维度全面、详细地讲解了SSD的发展历史、产品形态、工作原理、整体架构，以及各个功能模块的原理和使用，从SSD的前端接口协议到FTL算法，再到后端的闪存和纠错，本书都有涉及。

SSDFansSSDFans是由几个固态存储行业的技术精英于2014年创立的，他们都是博士、硕士研究生。SSDFans创立的初衷是普及固态存储相关知识，为祖国的固态存储事业添砖加瓦。
SSDFans核心团队，都是SSD行业技术专家，精通固件开发、驱动开发、硬件逻辑开发和SSD测试等技术。
SSDFans作者团队，20多位作者都是技术专家，来自SSD、NAND Flash和存储行业各大公司。
SSDFans是目前中国乃至世界华人圈都颇具影响力的SSD（固态硬盘）技术社区，通过微信互动等方式，建立了中国SSD产业界完善的社交网络。
SSDFans目前拥有：
1.微信公众号：ssdfans，订阅人数一万多人，并且继续快速增长。微信公众号特点是传播速度快、精准、用户忠诚度高，技术文章阅读率在10%以上。
2.网站：www.ssdfans.com，是SSD和闪存业界专业和全面的网站。
3.几十个微信群，覆盖了SSD全产业链：
产品包括手机/平板/物联网等移动设备固态存储、消费级SSD、企业级SSD?人群包括SSD相关行业工程师、销售、管理层、采购、用户等?厂商有NAND Flash制造商、SSD控制器厂商、SSD制造商、各种代理商、SSD和芯片测试设备厂商、SSD外壳/电路板等配件厂商、SSD控制器芯片IP厂商、投资人、猎头、存储设备制造商、云计算厂商、互联网公司、研究所和高校存储相关部门。
在机械硬盘时代，主导权掌握在国外大公司手里，我国的核心数据存储在国外的设备中。在固态硬盘时代，幸运的是，很多中国公司站在了技术和产业前沿，SSDFans的目标是整合SSD产业链资源，推动中国固态存储产业大发展，为振兴民族存储产业努力奋斗！

适读人群 ：计算机，电子相关专业的在校本科生，存储方向的研究生，通过阅读本书，能够更好的将所学的理论与业界实践结合，对相关知识有更加深刻的理解，为未来加入企业打好坚实的基础
（1）本书作者是国内SSD领域的领军人物，来自SSD、NAND Flash和存储行业的各大公司，精通固件开发、驱动开发、硬件逻辑开发和SSD测试等技术，也是国内领先的SSD技术社区SSDFans的核心团队成员。
（2）本书得到了TaoCloud CEO兼首席科学家刘爱贵、忆芯科技 CEO沈飞、方一信息科技 CEO杨威锋等10余位行业专家高度评价并鼎力推荐。
（3）本书未出版，电子书（初稿）即通过“华章书院”（小程序）的“华章鲜读”栏目预售超过1000份，异常火爆，广受好评。

Preface 前　　言
为什么要写这本书
这是一个真正的数据大爆炸时代，看得见，摸得着。
我们每天都在生产数据：发朋友圈、发微博、上传图片和视频到社交网站、备份数据到网盘等。我们的这些数据，不是存储在虚无缥缈的云端，而是存储在云服务器上。云服务器的核心就是存储介质。无论是云端存储，还是本地存储，有数据的地方就有存储介质。
传统数据存储介质有磁带、光盘等，但更多的是硬盘（HDD）。随着数据呈爆炸式增长，对数据存储介质在速度上、容量上有更高的要求。时势造英雄，固态硬盘（Solid State Disk，SSD）横空出世。SSD使用电子芯片存储数据，没有HDD的机械式部件，因此在速度、时延、功耗、抗震等方面，与HDD相比有碾压式优势。无论是个人存储，还是企业存储，都在逐渐用SSD取代HDD。大数据时代，SSD必将是主角。
HDD时代我们错过了；SSD时代，我们迎来了弯道超车的好机会。国内很多企业都希望抓住这个机遇，所以他们研发、制造SSD，并且取得了不错的成绩，已经有了能自主研发SSD及SSD控制器的公司。国家层面也在大力研发半导体。长江存储的成立昭示了国家对固态存储这块的态度和决心。
国内SSD领域的从业人员，以及日常使用SSD的人越来越多，但是市面上专门介绍SSD技术的中文书籍少之又少。作为国内领先的SSD技术社区——SSDFans有责任、有义务，也有动力推出一本中文版 SSD技术书籍。
我们几位作者，都工作在SSD的最前线，是工程师出身，虽文笔一般但是热情十足，愿意分享对技术的理解。希望这块砖头能够帮助您敲开SSD的大门，如果能够解决您的一些实际问题，或者引发您的一些思考，我们更是不胜荣幸。
最后，欢迎您通过网站（http://www.ssdfans.com）、微信公众号（SSDFans）来进一步了解我们，与我们做进一步的交流。
读者对象
计算机、电子相关专业的在校本科生，存储方向的研究生：通过阅读本书，能够更好地将所学的理论与业界实践结合，对相关知识有更加深刻的理解，为未来加入企业打好坚实的基础。
SSD研发企业的员工：通过阅读本书，可以全面学习与SSD相关的硬件、协议、固件以及测试等各方面的基础知识，提升整体认知，具备完整、系统的理论知识。
企业IT运维人员：通过阅读本书，可以充分了解SSD的优劣之处及其适用的工作场景，为公司的IT部署过程提供技术支持，实现整体运营成本的最优配置。
广大的DIY、游戏爱好者：通过阅读本书，可以学会如何选择最适合自己的SSD，以合理投入获得更好的娱乐体验。
对SSD产业感兴趣的投资人：通过阅读本书，可以全面了解SSD产业的现状，掌握基本的技术术语，以便更好地与企业沟通。
其他对SSD知识感兴趣的人。
本书特色
本书的作者团队都在业内知名公司任职，具备丰富的理论和实践知识。同时，日常维护公众号期间，跟读者的频繁互动也保证了知识的更新速度。
在撰写本书的过程中，作者们能够对技术原理做深入浅出的阐述，并结合自身工作经验给出意见。
本书主要内容
本书的内容几乎覆盖了SSD各个模块，既可以作为一本入门书籍进行通读，也可以在需要的时候作为工具书进行查阅。
本书内容涵盖： SSD基础知识、SSD各模块介绍及SSD测试相关内容。
SSD基础知识包括：SSD与HDD的比较、SSD的发展历史、产品形态、整体架构和基本工作原理。
模块介绍包括：
FTL闪存转换层：作为SSD固件的核心部分，FTL实现了例如映射管理、磨损均衡、垃圾回收、坏块管理等诸多功能，本书将一一介绍。
NAND Flash：NAND Flash作为SSD的存储介质，具有很多与传统磁介质不同的特性，本书将从器件原理、实战指南、闪存特性及数据完整性等方面展开。
NVMe存储协议：作为专门为SSD开发的软件存储协议，NVMe正在迅速占领SSD市场。本书将从其优势、基础架构、寻址方式、数据安全等方面展开。为了让读者对NVMe命令处理有更加直观的认识，本书结合实际的PCIe trace进行阐述。同时，本书也介绍了NVMe Over Fabric的相关知识，让读者能够对未来网络与存储的发展趋势有所了解。
PCIe协议：PCIe作为目前主流的SSD前端总线，与之前的SATA接口相比有着极大的性能优势。本书将从PCIe总线拓扑结构、分层结构、TLP类型与路由、配置和地址空间等方面进行介绍。
电源管理：本书详述了SSD前端总线（包括SATA和PCIe）的各种节能模式、NVMe协议的电源管理方案及在SSD里常用的整体电源管理架构——Power Domain。
ECC：本书介绍了ECC的基本概念，重点介绍了LDPC的解码和编码原理，以及在NAND上的应用。
SSD测试的内容包括：本书详述了常用的测试软件、测试流程、仪器设备、业界认证及专业的测试标准等。
勘误和支持
由于作者的水平有限，再加上时间仓促，书中难免会出现一些错误或者不准确的地方，恳请读者批评指正。您可通过我们的网站（http://www.ssdfans.com）、微信公众号（或微博）SSDFans、阿呆的微信号（nanoarchplus）或阿呆的邮箱（[email protected]）随时与我们进行交流。
致谢
借此机会特别感谢一直以来支持SSDFans的各位朋友（排名不分先后）——冬瓜哥、唐杰、路向峰、廖莎、兵哥、邰总、古猫先生、袁戎、顾沧海、山哥（Brown）等。
感谢机械

赞誉
推荐序一
推荐序二
前言
第1章　SSD综述 1
1.1　引子 1
1.2　SSD vs HDD 3
1.3　固态存储及SSD技术发展史 6
1.4　SSD基本工作原理 11
1.5　SSD产品核心参数 13
1.5.1　基本信息剖析 15
1.5.2　性能剖析 18
1.5.3　寿命剖析 21
1.5.4　数据可靠性剖析 23
1.5.5　功耗和其他剖析 26
1.5.6　SSD系统兼容性 29
1.6　接口形态 30
1.6.1　2.5寸 32
1.6.2　M.2 32
1.6.3　BGA SSD 35
1.6.4　SDP 37
1.6.5　U.2 38
1.7　固态存储市场 38
1.7.1　SSD正在取代HDD 38
1.7.2　SSD、HDD应用场合 39
1.7.3　SSD市场情况 39
第2章　SSD主控和全闪存阵列 41
2.1　SSD系统架构 41
2.1.1　前端 42
2.1.2　主控CPU 45
2.1.3　后端 45
2.2　SSD主控厂商 47
2.2.1　Marvell主控 47
2.2.2　三星主控 49
2.2.3　国产主控，谁主沉浮 50
2.3　案例：硅格（SiliconGo）SG9081主控 55
2.4　案例：企业级和消费级主控需求的归一化设计 56
2.5　案例：DERA（得瑞领新）NVMe控制器TAI和NVMe SSD产品 58
2.6　全闪存阵列AFA 60
2.6.1　整体解剖 60
2.6.2　硬件架构 64
2.6.3　软件架构 66
2.6.4　工作流程 69
2.6.5　应用场景 74
2.7　带计算功能的固态硬盘 75
第3章　SSD存储介质：闪存 77
3.1　闪存物理结构 77
3.1.1　闪存器件原理 77
3.1.2　SLC、MLC和TLC 78
3.1.3　闪存芯片架构 80
3.1.4　读、写、擦原理 83
3.1.5　三维闪存 84
3.1.6　Charge Trap型闪存 89
3.1.7　3D XPoint 91
3.2　闪存实战指南 95
3.2.1　异步时序 95
3.2.2　同步时序 97
3.2.3　闪存命令集 100
3.2.4　闪存寻址 101
3.2.5　读、写、擦时序 102
3.2.6　ONFI与Toggle协议之争 103
3.3　闪存特性 105
3.3.1　闪存存在的问题 105
3.3.2　寿命 107
3.3.3　闪存测试 109
3.3.4　MLC使用特性 110
3.3.5　读干扰 111
3.3.6　闪存数据保存期 112
3.4　闪存数据完整性 115
3.4.1　读错误来源 115
3.4.2　重读 117
3.4.3　ECC纠错码 118
3.4.4　RAID 119
3.4.5　数据随机化 120
第4章　SSD核心技术：FTL 122
4.1　FTL综述 122
4.2　映射管理 124
4.2.1　映射种类 124
4.2.2　映射基本原理 126
4.2.3　HMB 128
4.2.4　映射表刷新 130
4.3　垃圾回收 131
4.3.1　垃圾回收原理 131
4.3.2　写放大 137
4.3.3　垃圾回收实现 140
4.3.4　垃圾回收时机 147
4.4　Trim 148
4.5　磨损平衡 150
4.6　掉电恢复 152
4.7　坏块管理 155
4.7.1　坏块来源 155
4.7.2　坏块鉴别 155
4.7.3　坏块管理策略 157
4.8　SLC cache 158
4.9　RD& DR 160
4.10　Host Based FTL 161
4.10.1　Device Based FTL的不足 162
4.10.2　Host Based FTL架构 163
4.10.3　百度的软件定义闪存 163
第5章　PCIe介绍 166
5.1　从PCIe的速度说起 166
5.2　PCIe拓扑结构 169
5.3　PCIe分层结构 172
5.4　PCIe TLP类型 175
5.5　PCIe TLP结构 179
5.6　PCIe配置和地址空间 184
5.7　TLP的路由 189
5.8　数据链路层 197
5.9　物理层 202
5.10　PCIe Reset 205
5.11　PCIe Max Payload Size和Max Read Request Size 210
5.12　PCIe SSD热插拔 211
5.13　SSD PCIe链路性能损耗分析 213
第6章　NVMe介绍 216
6.1　AHCI到NVMe 216
6.2　NVMe综述 218
6.3　吉祥三宝：SQ、CQ和DB 223
6.4　寻址双雄：PRP和SGL 229
6.5　Trace分析 236
6.6　端到端数据保护 241
6.7　Namespace 245
6.8　NVMe over Fabrics 250
第7章　SSD测试 258
7.1　主流SSD测试软件介绍 258
7.1.1　SSD性能测试第一神器——FIO 258
7.1.2　AS SSD Benchmark 263
7.1.3　ATTO Disk Benchmark 264
7.1.4　CrystalDiskMark 264
7.1.5　PCMark Vantage 266
7.1.6　IOMeter 266
7.2　验证与确认 267
7.3　测试仪器 268
7.3.1　Emulator 268
7.3.2　协议分析仪 269
7.3.3　Jammer 272
7.4　回归测试 274
7.5　DevSlp测试 275
7.6　PCIe InterOp 278
7.7　WA测试 280
7.8　耐久度测试 281
7.9　认证Certification 288
7.10　SSD Performance测试 290
第8章　SSD电源管理 294
8.1　SATA省电模式Partial和Slumber 294
8.2　SATA超级省电模式DevSlp 295
8.3　SATA终极省电模式RTD3 299
8.4　PCIe省电模式ASPM 301
8.5　PCIe其他省电模式 305
8.6　NVMe动态电源管理 306
8.7　Power Domain 310
第9章　ECC原理 312
9.1　信号和噪声 312
9.2　通信系统模型 313
9.3　纠错编码的基本思想 315
9.3.1　编码距离 315
9.3.2　线性纠错码的基石——奇偶校验（Parity-Check） 315
9.3.3　校验矩阵H 和生成矩阵G 316
9.4　LDPC码原理简介 317
9.4.1　LDPC是什么 317
9.4.2　Tanner图 319
9.5　LDPC 解码 319
9.5.1　Bit-flipping 算法 319
9.5.2　和积信息传播算法 322
9.6　LDPC 编码 327
9.7

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