帶著疑問，查了一些資料，梳理了一下思路。

閃存的更新換代速度特別快，電腦端從機械硬盤HDD到固態硬盤SSD，手機端從eMMC到UFS3.0，同步存在的蘋果的nvme，一直在完善協議，各大廠家都在追求更流暢的體驗和更優質的質量。

目前的主要配置：手機存儲用eMMC，筆記本電腦用SSD，臺式機SSD與HDD組合使用

=======================================第一部分：文章出處:https://www.cnblogs.com/Christal-R/p/7230304.html============================================

全面理解SSD和NAND Flash

　　Flash Memory又叫做閃存，是一種非易失性存儲器。非易失性是指斷電之后數據不會丟失，這里就涉及到斷電保護（后面詳細講解）。

總體思路

1、前言：HDD和SSD的比較引出Flash。

2、Flash的分類：NAND Flash和NOR Flash。

3、NAND Flash規則介紹。

4、SSD固件（Firmware，FW）包括：映射表（Mapping Table）、垃圾回收（Garbage Collection）、磨損平衡（Wear Leveling，WL）等。

5、補充概念：寫入放大（Write Application）、預留空間（Over Provisioning）、Flash壽命（Program/Erase Count，P/E）等。

6、斷電保護機制。?

7、對SSD的評價標準：穩定性、性能、壽命。

1、前言

（1）HDD

　　HDD是指機械硬盤，是傳統普通的硬盤。

　　介質：采用磁性碟片來存儲。

　　包括：盤片、磁頭、磁盤旋轉軸及控制電機、磁頭控制器、數據轉接器、接口、緩存。

機械式硬盤最大速率約為100MB/s，由于容易發熱等原因已經無法再進一步提升速度，所以引入了固態硬盤

（2）SSD

　　SSD（Solid State Drives）是固態硬盤。

　　介質：采用閃存顆粒來存儲。

　　包括：控制單元、存儲單元（DRAM芯片/FLASH芯片）。

（3）性能&外觀區別

　　HDD是機械式尋找數據，所以防震遠低于SSD，數據尋找時間也遠低于SSD。SSD（左圖）和HDD（右圖）的模樣區別如下：

（圖片來自百度）

2、Flash的分類

　　Flash又分NAND Flash和NOR Flash，NOR型存儲內容以編碼為主，其功能多與運算相關；NAND型主要功能是存儲資料，如數碼相機中所用的記憶卡。

　　現在大部分的SSD都是用來存儲不易丟失的資料，所以SSD存儲單元會選擇NAND Flash芯片。這里我們講的就是SSD中的NAND Flash芯片。

（1）Nor Flash：主要用來執行片上程序

　　優點：具有很好的讀寫性能和隨機訪問性能，因此它先得到廣泛的應用；

　　缺點：單片容量較小且寫入速度較慢，決定了其應用范圍較窄。

（2）NAND Flash：主要用在大容量存儲場合

　　優點：優秀的讀寫性能、較大的存儲容量和性價比，因此在大容量存儲領域得到了廣泛的應用；

　　缺點：不具備隨機訪問性能。

3、NAND Flash的規則

（1）Flash都不支持覆蓋，即寫入操作只能在空或已擦除的單元內進行。

　　更改數據時，將整頁拷貝到緩存（Cache）中修改對應頁，再把更改后的數據挪到新的頁中保存，將原來位置的頁標記為無效頁；

　　指定在已有無效數據的位置寫入時，需要先擦除無效頁才能在該位置寫入新數據。

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（2）以page為單位寫入，以Block為單位擦除；擦除Block前需要先對里面的有效頁進行搬遷。

（3）每個Block都有擦除次數限制（有壽命），擦除次數過多會成為壞塊（bad block）。

?4、SSD固件內容

（1）映射表 Mapping Table

　　邏輯地址：用戶程序中使用的相對地址；

　　物理地址：實際存儲單元的絕對地址；

　　所以，映射表里面存儲的內容是邏輯地址到物理地址的映射信息，利用邏輯地址查詢映射表，找到對應的物理地址，再對實際存儲單元做讀寫訪問。

　　SSD內部就維護了一張映射表；一般SSD內部會板載DRAM，用于存儲程序運行的臨時數據，斷電會丟失；映射表存放在SDRAM中（方便快速訪問），同時NAND Flash中會存儲幾份映射表（防止斷電后映射關系丟失），而且會定期對NAND Flash中的映射便進行更新。

（2）垃圾回收 Garbage Collection

　　垃圾回收就是把幾個Block中的有效數據集中搬移到新的Block上去， 然后再把這幾個Block擦除掉。

　　垃圾回收機制有很多，都是根據不同的側重點提出的，所以沒有最優的算法，就像伴侶一樣只有適不適合之說。如：Greedy算法，每次選擇包含最少有效頁的Block來回收，也就是對垃圾的貪心，每次盡可能回收最多的垃圾。還有Cost-Benefit算法（考慮Block的擦除次數）、Cat回收算法、CICL算法等。

另外有兩種回收策略：

• 被動回收策略：當有寫入請求的時候，首先判斷當前可用空間大小與臨界值大小的比較；如果空間足夠，直接寫入空閑空間；如果空間不夠了，首先啟用垃圾回收，再往空閑區域完成寫入請求。
  • 不足之處：當空間不夠的時候寫請求會被延遲。
• 主動回收策略：通過固件設定周期性任務，定時檢查可用空間大小，如果需要就執行垃圾回收。
  • 巧妙之處：利用空閑時間提前進行垃圾回收，避免對請求造成不必要的延時。
  • 不足之處：倘若系統一直沒有空閑時間，垃圾回收依舊無法有效執行。

（3）磨損平衡 Wear Leveling

　　每個Block都是有壽命（Program/Erase Count，P/E值）的，他們的擦除次數是有限的。NAND Flash的壽命類似“木桶原理”，取決于所有Block中的最小壽命。如果拼命對某一塊進行擦除，NAND Flash的壽命將會被縮減到最小。所以引入了磨損平衡，平衡所有Block的擦除次數。

　　有很多不同的磨損平衡機制，大體可以分為兩大類：動態WL、靜態WL。

• 動態WL：使用Block進行擦寫時，優先挑選P/E值低的Block。
• 靜態WL：把P/E值低的Block中的數據挪到P/E值高的Block中存放。

5、補充概念

（1）寫入放大 Write Application

• 寫放大原理

　　寫入放大倍數 = 閃存寫入數據量 / 主控寫入數據量 = 實際寫入數據量 / 要求寫入數據量

　　例如，現在有一個寫入一頁的請求；即主控寫入數據量為1；

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　　然而這個一頁請求觸發了垃圾回收，當前的寫請求會被延遲，直到垃圾回收完畢后再執行寫入操作；

　　如果垃圾回收只挪了5頁有效數據，那么實際的寫入量應該為6頁（1頁寫請求，5頁挪動）；即閃存寫入數據量為6；

　　所以寫放大為6/1 = 6。

　　理想的寫放大為1，但是Sandforce的數據寫入時會進行壓縮寫入，最優情況下，寫放大可以為0.5，打破了Intel的“寫放大不可能小于1”之說。

• 壓縮寫入

　　三大好處：減少待存儲數量，節約存儲空間；減小待存儲數據翻轉可能性，增加NAND Flash的壽命和減少能耗；獲得較小NAND Flash的寫放大，提高讀寫速度。

　　壓縮寫入方法又分為有損壓縮和無損壓縮。

　　有損壓縮：存在信息丟失，無法100%的保存原始信息。

　　無損壓縮：不允許精度損失，能100%恢復原始信息；無損壓縮的壓縮和解碼復雜度較高，往往會大大的降低了NAND Flash的讀寫速度上的優勢。

　　現如今，數據壓縮編碼算法還不夠強大，所以大部分廠家都不會采用壓縮寫入。Sandforce除外。

（2）預留空間 Over Provisioning

• OP介紹

　　通過垃圾回收的過程，不難知道，垃圾回收的前提是要提供空閑區域來拷貝，如果連空閑區域都沒有，垃圾回收將無法執行，這時將不再支持任何數據的寫入。為了避免這種情況的發生，提出了預留空間。

　　預留空間不僅僅只是用來保證垃圾回收的正常完成，還存儲著SSD內部的系統數據（包括：出廠壞塊信息、SSD固件、Mapping Table等）。

　　所以如果說明存儲大小為256GB，實際上的存儲空間可能只有238GB（一般預留空間為7%）。

　　另外，OP越大，垃圾回收就會越快，相應寫放大會變小，所以讀寫性能就會越好；但用戶能使用的空間會被縮小。

• OP與SA區別

　　Over Provisioning（OP，預留空間）不僅僅只是用來保證垃圾回收的正常完成，還存儲著SSD內部的系統數據（包括：出廠壞塊信息、SSD固件、Mapping Table等）。是基于SSD的概念。

　　Spare Area（SA區）一般用來標記壞塊，和保存對main區數據的ECC校驗碼。是基于NAND Flash中一個Block的概念。

　　

（3）Flash壽命 Program/Erase Count

　　前面也已經提及到了，每個Block都是有擦除次數限制的，所以引入了壽命這個說法。

6、斷電保護機制

　　為了提升讀寫性能，通常使用SDRAM做緩存，如果在讀寫過程中遭遇異常掉電，SDRAM中的數據可能來不及寫進Nand Flash導致數據丟失，或者更新的映射表來不及寫進Nand Flash導致映射表丟失。

　　中控里板載的SDRAM是易失性存儲器，斷電之后數據會丟失，這個時候SDRAM中的數據主要包括：用戶數據、映射表；

　　如果沒有斷電保護機制，再次上電時，先去NAND Flash中找上次更新時的映射表，這時拿到的信息并不是最新的，是上次更新NAND Flash中映射表時的數據信息，所以發生了大部分數據丟失。

　　因此SSD板上會加上鉭電容或者超級電容，當檢測到非法斷電時，首先停止數據操作，鉭電容或超級電容開始放電，以保證SDRAM中的數據能夠寫入到NAND Flash中。

　　至于是用鉭電容還是超級電容，得看具體要保護的數據量；不是電容的容量越大越好，因為只要電容開始放電，就要等待它的電放完之后才可以進行其他操作。假如電容容量過大，用戶只是點了個電腦重啟，這時候SSD的電容會開始放電，放電還沒完成的時候，電腦已經重新上電，這時無法認盤。所以電容電量應該選最時候的。

　　基于SDRAM中的內容，斷電保護機制主要分為3種：

（1）保存SDRAM中所有數據

　　再次上電后，相當于斷電前的操作被中斷，重新上電后就可立馬進入待命狀態。

（2）只保存SDRAM中的用戶數據

　　再次上電后，需要先把上次NAND Flash中保存的映射表提取到SDRAM中，再將保存的用戶數據提取出來，兩者結合更新映射信息，更新完之后才進入待命狀態。

（3）只保存SDRAM中的映射表

　　再次上電后，需要先把上次NAND Flash中保存的映射表提取到SDRAM中，只是丟掉了用戶斷電前正在操作的數據，無法更新。

7、SSD的評價標準

（1）穩定性：SSD是否穩定，最大的影響因素是垃圾回收機制的選擇，恰當的垃圾回收可以提供穩定的讀寫速率；例如主動垃圾回收機制，在空閑的時候做垃圾回收，讀寫速度不會因為延時而波動不定。

（2）性能：預留空間的大小主要決定了SSD的性能，OP大，垃圾回收快，相應寫放大小，讀寫性能就越好。

（3）壽命：所有Block的P/E值越趨近于均衡，SSD的壽命就越趨近于最佳。

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最近做車聯網中車載行業平臺的方案涉及到服務器的配單

接下來將我總結的內容分享給大家

以下會從容量、價格、速度、寫入次數、工作噪音、防震能力、數據恢復等幾個角度去做區分

固態硬盤和機械硬盤的對比

0、前置知識

如圖所示，需要知道計算機存儲的工作原理：

計算機先從硬盤中讀取數據

數據從硬盤進入內存條

cpu往內存條中取數據進行運算

所以對于計算機而言，硬盤的讀取速度決定著平臺的啟動速度，而不是CPU以及內存條。

計算機傳輸計算的工作原理

一：容量

固態硬盤存儲容量較小，機械硬盤存儲容量較大；

涉及原理不同：

固態硬盤的原理：半導體存儲；數據直接存在閃存顆粒中，并且由主控單元記錄數據存儲位置和數據操作。

每一個閃存顆粒的存儲容量是有限的

固態硬盤內部機構

機械硬盤的原理：電磁存儲；機械硬盤在盤面上寫數據、磁盤轉動，機械臂移動，也是比較原始的數據讀寫方式[1]，就像近現代的留聲機發聲原理一樣。

機械硬盤內部結構

硬盤扇區的基礎知識

如上圖所示，一塊原型盤面被分為若干個扇面，

同時根據中心點的遠近被分為各類的同心圓，每一個同心圓包圍的區域被叫做磁道；

同時不同的扇面被不同的磁道切割之后所形成的面積又被叫做扇區，對于單個扇區來說，通常大小為512個字節，這512個字節往往是01010101的對應組合（對應于計算機所能理解的二進制）；

同時，不同盤片上的相同扇區組成了硬盤的柱面。

那么對應任意一塊硬盤，他所能容納的容量是

磁頭數 × 磁道(柱面)數 × 每道扇區數 × 每扇區字節數

當磁盤高速旋轉，去讀取相應位置的二進制碼（比如0000011111××）之后，對相應的01碼進行解析，就能得出相應的數據內容

二：價格

目前市場上，同容量大小，固態硬盤價格差不多是機械硬盤的3倍。截止2020年6月16日

500GB三星固態硬盤價格：500元，價格體現在芯片制造的工藝成本

500GB西部數據機械硬盤：139元，因為有成熟的留聲機寫入技術支撐

三、讀取速度

機械硬盤讀寫速度平均60~80M每秒，由于受限于轉盤轉速與指針尋址的時間限制，速度往往不會超過200M每秒[2]

固態硬盤不同品牌型號之間差距非常大，平均大約在150-300M每秒，由于是閃存顆粒和閃存控制器直接尋址的方式，最大的速度能達到500M每秒

如果你想要快速開機，有快速啟動大型游戲的需求，可以將主程序裝載在固態硬盤中

如果有照片、電影這種對讀取速度沒顯性需求的數據，當然首選機械硬盤，便宜又大碗

四、寫入次數[3]

對于機械硬盤來說，就像是寫鉛筆字，可以說是無限次的寫入次數

對于固態硬盤來說，就像是寫鋼筆字，固態硬盤中需要把有效數據抄到草稿紙上，將原先的一整頁撕掉，然后再把新的數據和草稿上的有效數據放回去。

但其實，無需擔心固態硬盤的讀寫次數限制，比如市面上一款120GB的固態硬盤是，按照1000次的P/E寫入次數計算，這塊硬盤的寫入總量應該是120×1000=120000GB，也就是你需要寫入至少120TB的文件才會損壞，如果是每天寫滿120GB，要寫1000天，也就是2.7年。而且，這個數據是個保底數據，就是說到了這個次數也不一定會壞，就算壞也不是馬上就壞，可能會繼續堅挺下去。

五、工作噪音

機械硬盤：涉及到磁盤的高速旋轉，所以噪聲偏大

固態硬盤：由于和機械硬盤原理不同，不存在高速旋轉，數據直接存放在閃存顆粒中，所以無噪聲。

六、防震能力

機械硬盤：使用時，會涉及到磁頭與磁盤之間的精準感應，存在不同機械之間結構的碰撞接觸，抗震等級不足時，容易發生位置偏移，勢必造成數據的尋址地址錯亂，防震能力較差，所以被推薦用于家庭的臺式機中；

固態硬盤：使用時，只需要使用閃存控制器介入尋址即可，無光盤、無磁頭，抗震等級較強，所以適用于經常移動的便攜式筆記本中。

七、數據恢復能力

機械硬盤：由于機械硬盤的存儲機制是存于扇區的二進制存儲；每個數據都有相應的尋址地址，數據與地址一一對應，容易恢復

固態硬盤：使用固態硬盤的閃存顆粒進行數據存儲時，為了使多個閃存顆粒的平均壽命相同（擦寫次數限制），除了固態硬盤的控制器，各類數據的存放位置均由硬盤控制器的FTL的動態鏈表記錄和維護，所以對于數據恢復軟件，按著操作系統之前的記錄位置進行數據恢復，那是肯定找不到的。很難恢復

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的有关EMMC、Nandflash、SSD、HDD的科普类说明的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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