第2章 SSD主控和全闪存阵列-编程知识

第2章 SSD主控和全闪存阵列

通过第一章可知，SSD主要由两大模块组成：主控和闪存介质。其中，主控的作用包括：

（1）实现标准主机接口与主机通信；

（2）实现与闪存的通信；

（1）运行SSD内部FTL算法。

主控芯片的好坏直接决定了SSD的性能、寿命、可靠性。

2.1 SSD系统架构

SSD作为数据存储设备，有主控CPU、RAM（随机存储器）、操作加速器、总线、数据编码译码等模块；操作对象为协议、数据命令、介质；操作目的是写入和读取用户数据。SSD的系统架构概略图如下所示：

图中，主控采用ARM CPU，主要分为前端和后端两个部分。其中，前端（主机接口控制器，Host Interface Controller）跟主机打交道，接口可以是SATA、PCIe、SAS等。后端（闪存控制器，Flash Controller）跟闪存打交道，并完成数据编解码和ECC（数据校验、纠错）。除此之外还有缓冲（Buffer）、DRAM（动态随机存取存储器）。

模块之间通过AXI高速和APB低速总线互联互通，完成信息和数据的通信。

2.1.1 前端

主机接口：与主机进行通信（数据交换）的标准协议接口，主要代表有SATA、SAS、PCIe等。

前端是负责主机和SSD设备通信的接口，命令和数据传输通过前端总线流向或流出SSD设备。

1. SATA

全称是Serial Advanced Technology Attachment（串行高级技术附件），是一种基于行业标准的串行硬件驱动器接口。

Serial（连续的，串联的）。

2. SAS

SAS（Serial Attached SCSI）即串行连接SCSI（小型计算机系统接口），与SATA类似，都是采用串行技术以获得更高的传输速度，并通过缩短连接线改善内部空间。

SAS的接口技术可以向下兼容SATA。二者的兼容性主要体现在物理层和协议层。在物理层，SAS接口和SATA接口完全兼容，SATA硬盘（拥有SATA接口的固态硬盘）可以直接用在SAS的环境中。在协议层，SAS由三种类型的协议组成，在三种协议的配合下，SAS可以和SATA以及部分SCSI设备无缝结合。

3. PCIe

PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）是一种高速串行计算机扩展总线标准。PCIe属于高速串行点对点多通道高带宽传输，所连接的设备分配独享通道带宽，不共享总线带宽（带宽，即吞吐量），主要支持主动电源管理、错误报告、端对端的可靠性传输、热插拨以及服务质量等功能。

从硬件模块上看，前端有PHY层（端口物理层），用于接收串行比特数据流，并将其转化成数字信号交给前端的后续模块处理。

例子：从协议角度，主机端发送一条SATA Write FPDMA命令到SSD设备的过程（前端所要进行的操作）

DMA：直接存储器存取。

（1）主机在总线上发出Write FPDMA命令FIS（Frame Information Structure，帧信息结构）；

（2）SSD收到该命令，判断自身内部写缓存是否有空间接收新的数据。若有，则向主机发送DMA Setup FIS命令；若无，则什么都不发送，此时主机端处于等待状态（即流控--数据流量控制）；

（3）主机收到DMA Setup FIS后，发送不大于8KB的Data FIS给SSD设备；

（4）重复（2）和（3），直到数据发送完毕；

（5）SSD发送一个状态Status FIS到主机，表示从协议层面这条写命令执行完毕。

SSD接收命令和数据并存放到SSD内部缓存区后，前端固件模块还需要对命令进行解析，并分配任务给中端FTL。

命令解析（Command Decoder）将命令FIS解析成固件和FTL可以理解的元素。

命令解析完成后，放入命令队列里等待终端FTL排队处理。