SSD固态硬盘存储系统的优化与测试探究

硬件维护

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SSD固态硬盘存储系统的优化与测试探究

◆黄元培

计算机技术飞速发展，使得人们的生产生活给信息存储提出更高要求，SSD 固态硬盘凭借体积小、耗能低、质量轻、读写速度快等优点被广泛应用在信息存储中，有关SSD 固态硬盘存储系统的优化与测试也因此引起了人们的重点关注。本文对固态硬盘理论知识分析的基础上，运用相关方法对固态硬盘存储系统进行优化，结果表明优化方法切实可行，固态硬盘性能提升明显，可为实际的优化工作提供参考。

SSD 固态硬盘由固态电子存储芯片阵列而成，包括存储单位及控制单元两个重要部分。实践中，为满足人们信息存储需要，进一步提高其存储性能，需对其进行优化与测试，以充分发挥其存储功能，更好的为人们的生产生活服务。

一、SSD系统速速分析

固态硬盘存储系统嵌入式高度集成，具有接口、处理器基本硬件的同时，还需完善的系统控制软件实现维护闪存地质映射表、数据并行传输控制以及初始化系统等。依据存储介质固态硬盘分为DRAM 存储介质、闪存（Flash 芯片）为存储介质。其中前者主要效仿传统硬盘设计而成，应用范围相对较差，而后者应用范围比较广泛，不仅可以制作成多种形式，而且移动方便，数据保护不受电源影响。

固态硬盘存储系统速度受系统时间与存储容量决定，其中前者涵盖硬件处理时间，因此，采取相关措施，增加单位时间数据吞吐量，并确保主机一次命令传输数据大小一定的情况下，缩短系统时间，可实现系统读写效率的明显提升。为研究方便，以NAND Flash 采用四通道2CE 架构为例，对系统硬件工作流程进行分析。系统总任务主要由以下几部分构成，命名解析主机发送的读命令；初始化函数并触发NAND 通道；FTL 建表；借助SA TA 接口将数据传输给主机。

二、SSD存储系统优化及分析

1. SSD 存储系统优化

在对SSD 存储系统工作流程深入分析的基础上，采取以下措施进行优化：采用超级页传出数据，在不影响传输时间的前提下，进一步增加数据吞吐量；对系统任务调度优先级进行优化，即，触发通道后建立FTL 表，使得NAND Flash 准备数据的时间提前。同时，充分利用NAND 流水及并发机制。另外，考虑到传输期间进行连读地址数据读取时LBA 中会出现地址偏移现象，运用数据补偿策略进行优化，即，当CPU 第一次触发NAND 4个通道时，读取的实际数据不足32KB ，CPU 会因此连续触发三次操作，使得系统时间大大延长。优化时当读取的数据地址不足8KB 时，先将其放入DBUF 中停留，将其与最后一页数据一起构成8KB 的数据后才传输给SA TA 。如此主机传输第一次命令数据的时间稍长外，有效防止因地址偏移导致NAND 通道浪费的情况发生，不仅使得系统速度提高明显，而且减少系统成本开支。而且实际操作时可预取数据，即，假设数据量超过64KB ，提前触发NAND 通道，隐藏T1、T3时间至下次命令中，使得系统只消耗T2的时间，很好的平衡软硬件效果。

除此之外，还可采取以下措施提升系统整体性能：对FTL 算法进行优化，减少系统开销的同时，达到提升性能的目的；运用Read Page Multi-plane 命令优化NAND 实现多级流水；使用对同步模式支持的NAND 控制器及Flash 芯片等。

2.优化结果分析

为验证优化策略结果，优化前参数如下：主机一次DMA Read 命令所取数据大小为64KB ；NAND 为4通道2CE ；Flash 每页大小设置为8KB ；NAND Flash 异步模式时IO 时钟50MHz ，ONFI 模式时IO 时钟为200MHz 。运用数据补偿、数据预取、超级页传输等方法进行优化。

优化结果为：首先，当CE 数取2时，预取数据隐藏了T3时间。当CE 为1时，减少了数据量，将通道触发时间进行了隐藏，优化效果不太明显；其次，当CE 数不变时，NAND 通道数增加，使得系统速度提升明显。而且ONF1模式下SSD 速度几乎达到异步模式下的两倍；最后，异步模式下，传输64KB 的数据量，其中通道数为4、CE 数为2时，优化后ONFI 模式、速度分别提高38.8%、15%。

三、SSD系统优化测试

对优化后的SSD 系统分别进行功能与性能测试，其中前者主要测试主机主板能否正常识别固态硬盘。在不同操作系统下借助文件系统进行文件的删除、保持、修改、建立，并进行读写数据操作，对固态硬盘性能进行测试。测试结果表明，主机主板能识别固态硬盘，固态硬盘工作未见异常。测试固态硬盘性能围绕其读取速度、写入速度进行，并分别测试高低温、振动环境给数据读写带来的影响。测试时NAND 取四个通道，选取异步工作模式。测试结果为：文件大小为64KB 时，测试的读取速度为143MB/s ，而此时的理论速度在152MB/s 左右，原因在于测试时还需注重操作系统时间，因此，实测数据在可估测范围中，表明采取的优化方法确实有效。另外，当增加系统成本时，将通道扩展为8通道，系统读速度估算为574MB/s ，具有较高的读效率。

四、结论

当前科技发展迅速，SSD 固态硬盘技术发展迅速，市场上出现很多类型的固态硬盘，一定程度上满足人们的信息存储需求，然而受多种因素影响，SSD 固态硬盘应用中还存在一些问题，因此，值得对其进行优化研究。本文对固态硬盘存储系统进行探讨，得出的结论如下：

（1）固态硬盘存储速度主要受存储容量及系统时间影响，为保证采取的优化措施切实有效，在对其进行优化时应在对固态硬盘性能影响因素深入分析的基础上，对固态硬盘工作原理深入理解的基础上进行。

（2）本文运用数据补偿、数据预取、超级页传输等方法对固态硬盘进行优化，并对优化后的硬盘进行功能与性能的测试，结果主机主板能正常识别，响应相关的文件操作，而且读取性能速度较优化前明显提升。另外，在实际工作中还应注重总结固态硬盘应用中的不足，结合实际充分利用现有技术，对其性能进行优化方面的探究。

引用：

[1]潘玉彪.固态硬盘容错阵列系统的性能优化研究[D].中国科学技术大学，2015.

[2]王增辉.磨损均衡在提高SSD 使用寿命中的应用与改进[D].华东理工大学，2015.

[3]吴敌，李寒.固态冲击——基于SSD 固态硬盘的存储解决方案[J].个人电脑，2011，04：50-58.

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