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出版社： 机械工业

ISBN：9787111599791

商品编码：28471170370

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深入浅出SSD:固态存储核心技术 原理与实战

作者： SSDFans   

 

出版社：机械工业出版社

 

ISBN：9787111599791

 

开本：16开

 

版次：1-1

目录

赞誉 

推荐序一 

推荐序二 

前言 

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

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

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

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

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

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

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

8章 SSD电源管理 294

8.1 SATA省电模式Partial和Slumber 294

8.2 SATA级省电模式DevSlp 295

8.3 SATA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

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 LDPC 在SSD中的应用 327

9.7.1 NAND 会出错 328

9.7.2 NAND 纠错模型 328

9.7.3 LDPC纠错流程 330

固态存储技术原理及数据恢复

随着计算机技术的迅猛发展，人类社会进入到一个崭新的时代。相伴而来的电子存储技术正在改变人们的学习、生活和工作方式，U盘、固态硬盘、数码相机、手机等各类电子存储设备的广泛普及，其数据安全问题已经成为人们普遍关注的问题，数据恢复技术从业人员及相关专业学生以及广大电子设备使用者，应该了解掌握的电子设备的数据安全和数据恢复知识和一些基本技能。 本书合理组织理论与实践内容，目的是为了使读者能够了解Flash设备数据存储及其数据恢复的基本知识，掌握相关的恢复技能等。本书构建了一个个鲜明的项目，层次清楚，概念，由浅入深，通俗易懂，既有基本知识、基本原理，又能够密切联系实际。

基 础 篇
第1章 固态存储技术概述 2
1．1 Flash存储器的发展 2
1．1．1 内部存储器的发展 3
1．1．2 各类存储卡的发展 3
1．1．3 U盘的发展 4
1．1．4 固态硬盘的发展 4
1．2 计算机内部存储器基础知识 5
1．2．1 计算机存储系统概述 5
1．2．2 计算机存储器工作流程 6
1．3 Flash存储器简述 7
1．3．1 Flash的制造 7
1．3．2 Flash数据存储简介 9
1．3．3 Flash技术特性 11
1．3．4 NOR Flash与Nand Flash区别 12
第2章 Nand Flash存储器基础知识 15
2．1 Nand Flash种类 15
2．1．1 SLC、MLC、TLC及QLC的含义 15
2．1．2 SLC、MLC、TLC及QLC的存储原理 16
2．1．3 MLC技术的改进 17
2．1．4 3D V-Nand技术 17
2．2 Nand Flash逻辑结构 18
2．3 Nand Flash操作特点 19
第3章 Flash存储卡基础知识 20
3．1 Flash存储卡综述 20
3．2 Flash存储卡的种类 23
3．2．1 CF卡系列 23
3．2．2 SD技术 25
3．2．3 MMC卡 31
3．2．4 其他类型的存储卡 33
3．3 购买存储卡注意事项 43
3．4 存储卡使用注意事项 44
3．5 存储卡常见故障及解决方法 45
第4章 U盘基础知识 47
4．1 USB技术介绍 47
4．1．1 USB的通信模型 48
4．1．2 USB设备检测及初始化 48
4．1．3 USB的性能特点 49
4．2 U盘的结构 50
4．2．1 U盘的结构简述 50
4．2．2 U盘电路功能模块 51
4．2．3 U盘工作原理 63
4．2．4 U盘技术参数 63
4．2．5 U盘使用注意事项 63
4．3 量产基本知识 64
4．3．1 量产定义 64
4．3．2 量产工具 64
4．3．3 量产案例 65
第5章 固态硬盘的基础知识 67
5．1 固态硬盘的定义 67
5．2 固态硬盘的种类 67
5．2．1 基于闪存的固态硬盘 67
5．2．2 基于DRAM的固态硬盘 68
5．2．3 基于NRAM的固态硬盘 68
5．3 固态硬盘的优缺点 69
5．3．1 优点 69
5．3．2 缺点 69
5．4 固态硬盘内部结构 70
5．4．1 控制模块 70
5．4．2 缓存模块 71
5．4．3 存储模块 71
5．4．4 接口模块 71
5．5 固态硬盘主控介绍 74
5．5．1 固态硬盘主流主控介绍 74
5．5．2 主控体系架构 74
5．5．3 固态硬盘主控固件 75
5．6 固态硬盘管理 76
5．6．1 映射表 76
5．6．2 重映射与垃圾回收 77
5．6．3 损耗平衡 78
5．6．4 TRIM 79
5．7 固态硬盘的优化 79
5．7．1 固态硬盘的使用环境优化 80
5．7．2 固态硬盘的分区优化 80
5．8 固态硬盘的使用

《闪存新纪元：SSD核心技术深度解析与应用实践》 一、 引言 在数字浪潮席卷全球的今天，数据已成为驱动社会进步的核心要素。而支撑海量数据存储与高效读写的基石，正是日新月异的存储技术。其中，固态硬盘（SSD）凭借其卓越的性能、低功耗以及坚固耐用的特性，正以前所未有的速度颠覆着传统的存储格局，从个人电脑到数据中心，再到新兴的物联网和人工智能领域，SSD的身影无处不在。 然而，隐藏在SSD高速背后的，是一系列复杂而精妙的技术原理。要真正理解SSD的价值，掌握其核心技术，并在实际应用中充分发挥其潜力，并非易事。传统的技术书籍往往侧重于理论的堆砌，或是局限于某一单一环节，难以形成系统性的认知。更何况，随着技术的发展，SSD的演进速度极快，许多最新进展和实战技巧往往未能得到及时且深入的阐述。 《闪存新纪元：SSD核心技术深度解析与应用实践》正是为了填补这一市场空白而诞生。本书旨在为广大技术从业者、科研人员、学生以及对SSD技术充满好奇的读者，提供一份全面、深入且极具实践指导意义的学习资料。我们不局限于“包邮”等商业信息，而是聚焦于SSD最核心的技术内涵，从原理的“深入浅出”到应用的“实战演练”，力求打造一本真正能帮助读者“掌握”SSD技术的权威指南。 二、 本书核心内容概览 本书并非简单地罗列SSD的组成部件，而是通过系统性的梳理，将SSD的复杂技术体系分解为若干个关键章节，层层递进，深入剖析： 第一部分：闪存介质的基石——NAND Flash原理探秘 SSD的核心在于其闪存（Flash Memory）芯片，尤其是NAND Flash。本部分将带领读者深入了解NAND Flash的物理结构、工作原理以及不同类型（SLC, MLC, TLC, QLC）的特点和权衡。我们将详细阐述电荷存储、读取、擦写、编程等基本操作，并深入分析其寿命限制、可靠性问题以及多种纠错技术（ECC）的应用。 NAND Flash的物理层：从MOSFET结构出发，讲解电荷在浮栅（Floating Gate）或电荷捕获层（Charge Trap）中的存储机制。 SLC, MLC, TLC, QLC的原理与差异：对比分析不同存储单元的数据存储方式、读写速度、耐久度和成本，理解其在不同应用场景下的适用性。 NAND Flash的编程、读取与擦写操作：详细讲解每种操作的电气特性、时序要求以及潜在的挑战。 磨损均衡（Wear Leveling）与坏块管理：剖析SSD如何通过复杂的算法来延长闪存寿命，以及如何处理和隔离失效的闪存单元。 ECC（Error Correction Code）技术：深入讲解LDPC（Low-Density Parity-Check）等先进的ECC算法，以及它们在提高NAND Flash可靠性方面的重要作用。 第二部分：SSD的“大脑”——主控芯片（Controller）的智能化 主控芯片是SSD的“大脑”，负责协调SSD内部所有组件的工作，并与主机进行通信。本部分将全面揭示主控芯片的强大功能，包括其架构设计、固件（Firmware）的作用、以及在性能优化、功耗管理、数据安全等方面所扮演的关键角色。 主控芯片的架构与接口：讲解SATA, NVMe等不同接口下的主控设计，以及其内部的CPU、DRAM Cache、NAND Interface等核心模块。 FTL（Flash Translation Layer）的奥秘：深入理解FTL如何将逻辑块地址（LBA）映射到物理块地址（PBA），实现磨损均衡、垃圾回收（Garbage Collection）等关键功能。 GC（Garbage Collection）与TRIM命令：详细讲解垃圾回收的原理、不同GC算法的优劣，以及TRIM命令如何帮助主控提升性能和寿命。 磨损均衡算法的实现：介绍静态磨损均衡、动态磨损均衡以及混合磨损均衡等策略。 DRAM Cache的作用与优化：阐述DRAM Cache在加速数据访问、管理FTL映射表等方面的作用。 功耗管理策略：讲解SSD如何通过各种低功耗模式来节省电能，以及在不同工作状态下的功耗特性。 数据加密与安全特性：探讨SSD内置的硬件加密引擎、安全擦除等功能。 第三部分：连接与协同——SSD的接口与协议 SSD的性能发挥离不开高效的接口与协议。本部分将深入分析当前主流的SSD接口技术，包括SATA和NVMe，并详细解读其技术演进、性能优势以及在不同应用场景下的选择考量。 SATA接口：回顾SATA的历史，分析其带宽限制，以及在入门级SSD中的应用。 NVMe（Non-Volatile Memory Express）协议：深度解析NVMe协议的优势，包括其多队列、多提交队列、低延迟特性，以及如何充分发挥PCIe总线的带宽。 PCIe接口：讲解PCIe总线的发展，包括不同代（Gen3, Gen4, Gen5）的带宽差异，以及其在高性能SSD中的核心地位。 M.2, U.2, U.3等物理接口：介绍不同形态的SSD物理接口，以及它们与SATA和NVMe协议的结合方式。 RDMA（Remote Direct Memory Access）：在更高级的应用场景中，探讨RDMA技术如何进一步降低延迟，实现更高效的数据传输。 第四部分：高性能的背后——SSD的读写性能优化技术 SSD的“快”是其最直观的优势，但要实现极致的性能，需要一系列复杂的优化技术。本部分将深入探讨SSD在读写路径上的各项优化手段。 缓存策略：除了DRAM Cache，还可能涉及到SLC Cache等技术，以及它们的工作原理。 I/O调度算法：讲解SSD内部的I/O调度器如何管理和排序并发的读写请求，以提升吞吐量和降低延迟。 并行处理与多通道设计：分析SSD如何通过并行读写多个NAND芯片来提升整体性能。 读写放大（Read/Write Amplification）：深入理解读写放大现象的成因，以及主控如何通过优化算法来降低其影响。 QoS（Quality of Service）管理：探讨SSD如何根据应用需求，提供不同级别的服务质量保障。 第五部分：SSD的应用与生态 理论结合实践，本书的最后部分将聚焦于SSD在实际应用中的部署、选择以及新兴技术趋势。 SSD在不同场景下的选型指南：从消费级PC到企业级服务器，再到数据中心，提供不同应用场景下的SSD选型建议。 SSD的性能评估与测试方法：介绍常用的SSD性能测试工具和指标，帮助读者科学地评估SSD的性能。 SSD的可靠性与寿命考量：结合MTBF, TBW等指标，帮助读者理解SSD的可靠性，并进行合理的容量和耐久度选择。 新兴的SSD技术趋势：展望下一代闪存技术（如3D XPoint, SCiB等），以及其可能带来的变革。 SSD在特定领域的应用：例如，在游戏、视频编辑、大数据分析、人工智能训练等场景下的SSD优化和应用案例。 SSD与存储阵列（RAID）的结合：探讨SSD在构建高性能存储解决方案中的作用。 三、 本书的独特价值与亮点 《闪存新纪元：SSD核心技术深度解析与应用实践》之所以与众不同，在于其鲜明的特色和显著的优势： 1. 系统性与全面性：本书不遗漏任何一个关键环节，从最底层的闪存介质到最上层的接口协议，再到实际应用，形成一个完整的知识体系。 2. 深入浅出，逻辑清晰：我们采用由浅入深的讲解方式，将复杂的原理用通俗易懂的语言阐述，并通过大量的图表和示意图辅助理解，确保读者能够轻松掌握。 3. 理论与实战紧密结合：本书不仅讲解“是什么”，更注重“怎么做”。我们将理论知识与实际操作、技术选型、性能优化等实战技巧相结合，让读者学以致用。 4. 前沿技术与趋势展望：关注SSD技术的最新发展，并对未来趋势进行预测，帮助读者保持技术的前瞻性。 5. 严谨的学术态度与专业的实践经验：本书内容由在存储领域深耕多年的专家团队精心打磨，融合了严谨的学术研究与丰富的工程实践经验，确保内容的准确性和权威性。 四、 目标读者 IT专业人士：系统架构师、存储工程师、服务器工程师、嵌入式开发工程师等。 硬件开发工程师：从事SSD主控、闪存颗粒、接口设计等相关工作的研发人员。 软件开发工程师：需要深入理解存储底层原理，以优化应用程序性能的开发者。 科研院所学生与教师：从事计算机体系结构、存储技术、半导体等相关专业的研究者。 技术爱好者与发烧友：对SSD技术充满好奇，渴望深入了解其背后原理的读者。 五、 结语 在数据爆炸式增长的时代，SSD作为核心存储技术，其重要性不言而喻。掌握SSD的核心技术，不仅是提升个人职业技能的关键，更是把握未来数字科技发展脉搏的有效途径。《闪存新纪元：SSD核心技术深度解析与应用实践》将是你探索SSD世界的最佳向导，带你穿越迷雾，抵达技术的殿堂，让你在瞬息万变的存储领域，游刃有余，掌控未来。

评分☆☆☆☆☆

作为一个对存储技术发展史和未来趋势略有关注的科技爱好者，我一直想深入了解SSD的演进过程和其背后的技术壁垒。这套书的标题“深入浅出SSD:固态存储核心技术 原理与实战”和“固态存储技术原理及数据恢复 原理与实战”让我看到了它在理论深度和实践应用上的结合。我尤其希望书中能够探讨不同NAND Flash类型（SLC、MLC、TLC、QLC）的优缺点和发展趋势，以及SSD控制器在其中扮演的关键角色。此外，关于SSD在不同应用场景下的性能表现和选择建议，比如在服务器、消费级电脑和移动设备上的差异，也是我非常期待了解的内容。如果书中还能涉及到一些最新的SSD技术，如3D NAND的堆叠技术和新的接口协议，那就更好了。

评分☆☆☆☆☆

这本书刚拿到手，就被厚实的装帧和沉甸甸的分量惊到了。封面设计简洁大气，虽然没有花哨的插图，但“深入浅出”这几个字就足够吸引人。我本身是做嵌入式开发的，平时工作中会经常接触到SSD，但很多底层原理都只是浅尝辄止，这次抱着学习的态度买下了它。翻开目录，看到“NAND Flash存储单元”、“控制器架构”、“接口技术”、“功耗管理”、“磨损均衡”等等章节，感觉内容非常扎实，不是那种只讲皮毛的科普读物。而且“原理与实战”这样的字样，也让我对接下来的学习充满期待，希望它能真的把那些晦涩的技术讲透，并且能结合实际应用，让我能更好地理解和运用。之前看过一些网络上的文章，碎片化且不够系统，这次终于有机会能把SSD的知识体系建立起来了。

评分☆☆☆☆☆

对于我这样对硬件有浓厚兴趣的普通用户来说，SSD早已不是陌生的名词，但其内部的运作机制却一直像个黑匣子。这次偶然看到这套关于SSD的书，它的描述让我眼前一亮——“固态存储核心技术”、“原理与实战”、“数据恢复”。这不仅仅是一本技术手册，更像是一扇通往SSD内部世界的窗口。我特别期待书中能详细解释SSD是如何做到高速读写的，以及那些让人头疼的“写入放大”和“垃圾回收”到底是怎么一回事。同时，关于数据恢复的部分，我希望它能讲得接地气一些，即使不是专业人士，也能通过这本书了解一些基础的数据恢复原理和方法，至少在遇到小问题时，能不至于束手无策。

评分☆☆☆☆☆

我是一名计算机专业的学生，最近正在学习存储系统相关的课程。老师在课堂上提到了SSD的一些概念，但我总感觉云里雾里。网上搜了很多资料，但发现信息太杂乱了，很难形成一个完整的知识体系。这套书的出现，简直就像及时雨！“深入浅出”这几个字让我看到了希望，它承诺将复杂的SSD技术剖析得清晰易懂。我特别关注这本书会不会涉及SSD的接口标准，比如SATA、NVMe，以及它们之间在性能上的差异。另外，关于SSD的性能优化和寿命延长方面的技术，也是我非常感兴趣的。如果书中能有相关的案例分析或者代码示例，那就更完美了，能够帮助我更好地理解理论知识，并将所学应用于实际。

评分☆☆☆☆☆

一直以来，我对数据存储的底层逻辑都充满好奇，尤其是在固态硬盘（SSD）飞速发展的今天。市面上关于SSD的书籍不少，但很多要么过于理论化，读起来枯燥乏味，要么又过于浅显，无法触及核心。直到我看到这套书的介绍，才觉得眼前一亮。它不仅涵盖了SSD的核心技术，还特别强调了“原理与实战”，这一点对我来说至关重要。我希望这本书能帮我从根本上理解SSD的工作机制，比如NAND Flash的读写原理、磨损均衡算法是如何实现的、TRIM命令到底有什么作用等等。同时，我也非常关心其中的“数据恢复”部分，虽然不希望遇到数据丢失的情况，但了解数据恢复的原理，能让我对数据的安全性有更深的认识，并且在万一发生意外时，知道如何应对。