固态硬盘SSD的性能分析和组建方案设计

固态硬盘ＳＳＤ的性能分析和组建方案设计

作者：彭 觅

来源：《硅谷》2008年第20期

[摘要]新一代存储技术固态硬盘SSD（Solid State Disk）主要由Flash闪存单元和各控制单元组成，其内部存储单元利用固态电子存储芯片阵列取代了传统HDD硬盘的磁碟组。由于SSD没有普通硬盘的旋转介质等其他机械结构，因而SSD拥有零噪音，低功耗，抗震摔，高读写速度等优点。通过分析固态硬盘SSD的内部结构各部件组建以及接口定义，提出一种基于JMF602控制芯片的SSD设计方案以及另外一种基于CF卡ATA Flash controller转SATA桥接的SSD设计方案。

[关键词]固态硬盘SSD 无机械结构 CF卡 NAND Flash闪存 SATA接口 闪存控制器 中图分类号：PT3文献标识码：A 文章编号：1671－7597(2008)1020025－01

过去的20年间，CPU运行频率增加了600倍，硬盘马达转速也增加了20多倍。除此之外，存储系统最重要的一个参数容量更是增长了上万倍。然而，伴随着数据容量的爆炸性增长，存储系统的瓶颈效应越来越明显。虽然人们陆续开发了SATA、垂直纪录等新技术，但目前为止传统的磁记录存储仍没有取得重大突破。为此，人们开发了固态硬盘技术。

一、固态硬盘SSD组建方式

作为一项新的存储技术，固态硬盘SSD，不同与传统硬盘的磁盘存储方式，采用了固态电子存储芯片序列作为其存储单元。SSD的组建主要有两种方式。第一：基于非永久性存储器（DRAM）。由非永久性存储器DRAM制成的固态硬盘主要用于临时性存储。因为这类存储器需要靠外界电力维持其记忆，所以由此制成的固态硬盘还需要配合电池才能使用。第二：基于永久性存储器（Flash闪存）。永久性存储器的数据存取速度介于非永久性存储器和常规硬盘之间。和非永久性存储器相比，永久性存储器一经写入数据，就不需要外界电力来维持其记忆。因此更适于作为常规硬盘的替代品。

二、固态硬盘SSD的优势和劣势分析

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（一）数据存取速度快：现在市场上一般SSD硬盘读写速度在80Mb/s

左右，Mtron Flash SSD(RAID0)读写速度平均达150Mb/s，相比用SATA接口的极限速度300Mb/s(?)，SSD还有很大的读写速度提升空间。

（二）防震抗摔：因为全部采用了闪存芯片，所以SSD固态硬盘内部不存在任何机械部件，这样即使在高速移动甚至发生轻微碰撞的情况下也不会影响到正常使用。

（三）无噪音：得益于无机械部件及闪存芯片较小的发热量小、散热快等特点。SSD固态硬盘因为没有机械马达和风扇，工作噪音值为零分贝。

（四）重量轻：目前常规1.8英寸硬盘重量为20～30克，在笔记本电脑、卫星定位仪等随身移动产品上，更小的重量有利于便携。

（五）发展趋势：固态硬盘价格是它在市场普遍被采用的最大障碍，储存容量为32GB固态硬盘的成本高达500美元左右。但是由于三星，希捷，intel，sandisk，Palm，东芝等大公司的相继开始投入对SSD的研究和生产，相信随着时间的推移，固态硬盘的价格将会逐渐降低，大规模应用到电脑市场只是时间问题。

三、固态硬盘内部结构分析

（一）闪存序列：NAND Flash / NOR Flash。NAND Flash和NOR Flash是现在市场上两种主要的永久性闪存技术。

1．在写数据和擦除数据时，NAND由于支持整块擦写操作，所以速度比NOR要快得多。但是由于NOR有专门的地址线，可以实现直接寻址，故读数据速度上NOR远快于NAND。

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2．容量方面：NOR型FLASH的每个存储单元与位线相连，增加了芯片内位线的数量，不利于存储密度的提高。所以在面积和工艺相同的情况下，NAND型FLASH的容量比NOR要大得多，生产成本更低，也更容易生产大容量的芯片。

3．NAND 的读写寿命为100万次，而NOR的读写寿命只有10万次。

综上比较对于要求高速读写并且集成度高的固态硬盘来说，NAND Flash优点突出，广泛的被应用于SSD闪存序列中。

（二）闪存控制器。闪存控制器是保证SSD有效完成读写操作的一个重要部件，闪存控制器里面集成了地址锁存器，命令锁存器，FIFO控制器等一些主要器件，能够解析读写命令并且从闪存序列中找到对应的数据单元完成读写操作。目前市场上8位，16位，32位的各类闪存控制器品类齐全，容易购买。 （三）嵌入CPU。

（四）DDR缓存。DDR双倍速内存使指定地址、数据的输送和输出主要步骤既独立执行，又保持与CPU完全同步。

（五）标准接口。标准接口主要有两种：ATA接口和SATA接口。其中串行的SATA接口性能优越，速度很快，被广泛的应用于输入输出接口。而对于ATA接口，则通常要将PATA转成SATA接口输出。

四、SSD组建方案设计

（一）基于JMF602主控制芯片的SSD组建。JMF602为一款闪存专用IC控制芯片。其内部64位的Memory DMA Controller用来完成闪存序列的数据传输过程，4-channel BCH Flash Controller和4-channel MMC Flash Controller用来解析命令控制数据读写，MCU处理器单元则完成各种运算和中断处理，SATA Controller则完成最后的数据与外部接口的传输。 利用JMF602主控制芯片，将多片闪存序列通过位扩展或者容量扩展方式与JMF602相连，因为JMF602内部已经集成了SATA接口，故不用通过转接，直接将其与外部接口相连，然后烧录进控制主程序，接通电源，即可完成一个简易的SSD组建。

（二）基于CF卡ATA Flash controller转SATA桥接的SSD组建。CF卡作为具有PCMCIA-ATA功能的闪卡，其内部还集成了一个IDE控制器，可以直接和PC的DMA IDE接口通讯，因此其转接器原理较简单。但因为其接口定义类似与ATA接口，所以用CF实现的

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SSD除了需要一个高速的CF卡以外还需增加一个CF转SATA转接器。CF转SATA转接器能直接与笔记本2.5寸SATA接口相连，能使CFI/II和Micro Drive微硬盘变成普通的2.5寸SATA硬盘使用，支持DMA和UDMA模式，无需特殊驱动程序，能兼容全系列Windows，Linux系统。利用CF卡作为闪存序列，多片连接后与SATA转换器相接，因为一般CF转SATA支持DMA和UDMA数据传输模式，连接好的SATA口接口后直接接到PC机主板上，输入相应的驱动程序和控制程序即可完成该方式SSD组建。

五、结束语

虽然目前固态硬盘SSD的普及还受着高成本、兼容性不好的限制，不过我们有理由相信，随着因特尔，三星，sandisk, 东芝等大公司的相继开始研究和生产SSD产品，日益廉价的性能优越的固态硬盘在未来的电脑存储市场中将会占有一个重要的地位。

参考文献：

[1]张昆藏，计算机系统结构奔腾PC[M].第二版.北京：科学出版社. [2]张江陵，海量信息存储.北京：高等教育出版社.

[3]邸海霞，固态盘缓存设计技术研究.航天工业总公司第二研究院. [4]李刚，大容量固态盘设计.电子测量技术.