1.SSD的基本概念以及結構
SSD是一種以半導體（半導體快閃記憶體）作為儲存介質嗎，使用純電子電路實現的儲存裝置。
SSD硬體包括幾大組成部分：主控、快閃記憶體、快取晶片DRAM(可選，有些SSD上可能只有SRAM，並沒有配置DRAM)、PCB(電源晶片、電阻、電容等)、介面(SATA、SAS、PCIe等)，其主體就是一塊PCB
1.1主控的主要功能
（1）負責資料的讀些管理：將主機請求的資料讀寫操作在NAND快閃記憶體中完成，並進行必要的緩衝、排序、糾錯。
（2）垃圾回收：根據快閃記憶體的特性，資料不能直接覆蓋，需要將資料進行擦除後再重新寫入，主控來管理這個過程
（3）磨損均衡：主控需要控制快閃記憶體各部分的擦寫次數，這樣才能避免部分快閃記憶體塊因過度擦寫而損壞
（4）錯誤糾正：我瞭解到有ECC糾錯，主要原理是透過漢明碼糾正出發生bit反轉的位置。因為大多數的bit反轉可以透過重啟解決，所以ecc基本都用在伺服器的儲存裝置中，例如記憶體和固態。且價格相對比消費級產品較貴。
（5）韌體更新：很多產品使用時都會出現bug或是一些不足，透過韌體更新來改善或修復這些問題。
（6）加密：保證資料安全
1.2快閃記憶體
（1）快閃記憶體是一種非易失性儲存器。非易失性就意味著斷電後資料仍然會保留。快閃記憶體的儲存單元是由浮動柵極電晶體組成的陣列，每個儲存單元可以儲存一位或者多位的資料，例如以下型別的單元：
SLC 單層單元、MLC多層單元，TLC三層單元、QLC四層單元。這幾個儲存的單元儲存資料的位數依次增加，可靠性與速度依次降低成本依次下降。
（2）讀寫特性：寫入時需要將資料寫進快閃記憶體頁，並且再寫入資料是不能直接覆蓋，寫入速度受限於擦除速度。
2.NVME協議基礎
整個固態硬碟儲存基本流程其實很簡單，資料經過計算機等裝置的物理介面，此時進入物理儲存層；接著透過快閃記憶體轉換層，由物理資訊轉換成邏輯程式碼，並被計算機識別，整個儲存過程結束。而在儲存過程中，存在著一系列協議和指令，去引導相關裝置進行工作，其中指令協議就起到總體指揮調配的作用，而邏輯協議則是作用於邏輯層中。
常見消費級指令協議、邏輯協議以及物理介面旗下的名詞配對關係。
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物理介面 |
邏輯協議 |
指令協議 |
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SATA |
AHCI |
ATA |
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M.2/PCIe |
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PCIe/U2 |
NVMe |
NVMe |
2.1NVME 定義和作用
NVMe，全稱為Non-Volatile Memory Express， 是一種基於非易失性儲存器的傳輸規範,是跑在PCIE介面上的標準協議制定了Host與SSD之間的通訊命令格式以及命令的執行過程.NVME的誕生以及優勢的詳細介紹: https://mp.weixin.qq.com/s/nVF2LJlZzlQwWn6OI0cb-g
2.2NVME 命令
NVME包含兩種命令：Admin Command，IO Command, Admin Command作用：用於Host管理和控制SSD, IO Command作用：用於Host和SSD之間傳輸資料
2.3nvme命令執行過程
- 1. Host寫指令到SQ中：
主機（Host）生成一個寫命令，並將其寫入到NVMe提交佇列（Submission Queue，SQ）中。這個佇列位於主機的記憶體中，佇列中儲存了多個要執行的命令。每個命令都有一個描述符，其中包含了命令型別（如讀、寫）、目標地址、資料長度等資訊。 - 2. Host寫DoorBell，通知SSD取指令：
主機在將命令寫入提交佇列後，會透過寫入“DoorBell暫存器”通知SSD控制器，告知有新的命令已經放入佇列。這個暫存器類似於一個“門鈴”，它是SSD控制器用於接收通知的方式。 - 3. SSD收到通知，從SQ中取走指令：
SSD控制器接收到主機的通知後，會讀取提交佇列中的命令。SSD控制器知道從哪裡開始讀取命令，因為主機會更新佇列的“頭指標”，指向最新放入的命令。 - 4. SSD執行指令：
SSD控制器解析命令，根據命令的型別執行相應的操作。例如，對於寫命令，SSD會將主機提供的資料寫入到內部的NAND快閃記憶體中。對於讀命令，SSD會從NAND快閃記憶體中讀取資料並準備返回給主機。 - 5. SSD執行指令完成，將執行結果寫入CQ中：
當SSD完成了命令執行後，會將執行結果寫入完成佇列（Completion Queue，CQ）中，就像每次寫個函式，介面都需要有返回值。CQ同樣位於主機記憶體中，用來儲存每個命令的執行結果和狀態資訊（如成功、失敗或錯誤程式碼）。 - 6. SSD生成中斷，通知Host指令執行完成：
SSD在將結果寫入完成佇列後，會向主機發出一箇中斷訊號，通知主機該命令已經完成。這個中斷可以透過硬體中斷的形式觸發，確保主機能夠及時響應。 - 7. Host收到通知，開始處理CQ，檢視指令完成後返回的狀態和資料：
主機收到中斷後，會處理完成佇列中的條目，檢視每個命令的執行結果。這包括檢查狀態碼，確定操作是否成功，以及讀取相關的資料或錯誤資訊。 - 8. Host寫DoorBell，通知SSD執行結果已處理，然後釋放CQ：
主機處理完完成佇列中的條目後，會再次透過寫DoorBell暫存器通知SSD控制器，表示這些完成佇列條目已經被處理，可以釋放空間用於後續的命令結果。SSD控制器收到這個通知後，會更新佇列的“尾指標”，確保下次新的結果可以正確寫入。
總結：
整個流程展示了NVMe協議中主機和SSD之間的高效通訊機制，充分利用了提交佇列和完成佇列的並行處理能力，實現了高速、低延遲的資料讀寫。每一步中，透過“DoorBell”暫存器和中斷機制，確保了主機和SSD之間的快速、同步協調。這個過程讓我想到了http協議的三次握手與四次揮手。
3.SSD基本工作原理
作業系統對SSD發出請求，檔案系統需要將這些請求轉換成SSD能夠識別的命令才能進行對應的操作，就像電源介面卡一樣。SSD的輸入是命令(Command)，輸出是資料(Data)和命令狀態(Command Status)。SSD前端(Front End)接收使用者命令請求，經過內部計算和處理，輸出使用者所需要的資料或狀態。
SSD系統呼叫
3.1SSD的讀寫
在寫入時：
（1） 主機傳送寫命令：主機（如電腦、伺服器）透過介面（如NVMe、SATA等）向SSD傳送寫命令，並附帶要寫入的資料。這些命令透過儲存協議（如NVMe協議）進行傳輸。
（2）SSD接收命令並快取資料：SSD接收到寫命令後，首先會將資料暫時儲存在其內部的RAM快取中。這個快取是高速度、低延遲的儲存區域，可以極大地提高資料處理速度，避免頻繁的快閃記憶體寫入操作帶來的延遲。(快取系統一般都是用來提高讀寫速度的小容量、高速儲存工具) 在某些情況下，資料也可能直接寫入到SSD的SLC快取區域，這種區域利用了SLC（Single-Level Cell）快閃記憶體的高寫入速度特性來進一步加速寫入。
（3）FTL（快閃記憶體轉換層）分配地址：FTL（Flash Translation Layer）是SSD韌體中的一個關鍵部分。它負責將主機看到的邏輯地址（LBA，Logical Block Address）對映到實際的物理快閃記憶體地址。當資料存入RAM快取後，FTL會為每個邏輯資料塊分配一個具體的快閃記憶體實體地址。由於NAND快閃記憶體的特性，資料不能覆蓋寫入，所以FTL還要考慮磨損均衡（Wear Leveling）和垃圾回收（Garbage Collection）等任務，確儲存儲壽命和效能的最佳化。
（4）資料積累與寫入快閃記憶體：當快取中的資料達到一定數量或觸發某些條件（如快取滿或達到時間閾值）後，FTL會生成一個寫請求，準備將資料寫入實際的NAND快閃記憶體。這個寫請求會被髮送到SSD的後端控制器，後端控制器根據請求中的資訊，將快取中的資料寫入到對應的NAND快閃記憶體塊中。
（5）NAND快閃記憶體寫入：SSD的後端控制器按照FTL分配的實體地址，將資料從快取寫入到NAND快閃記憶體的對應頁中。由於NAND快閃記憶體是以頁為單位進行寫入，以塊為單位進行擦除的，因此這個寫入過程可能涉及複雜的頁、塊管理操作。如果寫入的頁在一個新的快閃記憶體塊中，寫操作會比較直接。但如果需要在已經使用的塊中寫入新資料，可能會觸發垃圾回收操作，移動和合並有效資料，騰出空間進行寫入。
（6）寫入完成與確認：資料成功寫入NAND快閃記憶體後，SSD會更新相應的對映表，並向主機傳送寫入完成的確認資訊。之後，這些資料就會永久儲存在快閃記憶體中，直到需要更新或刪除為止。
在讀取時：host發來讀取命令，SSD就需要根據邏輯地址對映出需要讀取需要讀取資料的實體地址，使後端從快閃記憶體將資料傳輸到快取，前端再將這些資料返回給host