浅谈闪存控制器架构

1、浅谈闪存控制器架构分析闪存控制器的架构，首先得了解ssd。普通来说ssd的存储介质分为两种，一种是采纳闪存（flash芯片）作为存储介质，另外一种是采纳dram作为存储介质。我们通常所说的ssd就是基于闪存的固态硬盘，其采纳flash芯片作为存储介质。ssd的基本组成结构包括flash颗粒和flash控制器，flash控制器中有芯片，负责flash的读写、磨损均衡、寿命监控等等。flash控制器的主要的工作任务包括三大方面：一是后端拜访flash，管理后端flash颗粒，包括各种参数控制和数据io; 二是前端提供拜访接口和协议：实现对应的sas/sata target协议端或者nvme协议端,

2、 猎取host发出的io命令并解码和生成内部私有数据结果等待执行；三是ftl层核心处理。下面我们详细来介绍一下flash 控制器是怎样做这几件事的。第一，后端拜访flash的操作内容后端拜访flash首先必需提到的是闪存通道控制器。这个控制器里面有多个通道，每个通道挂多片flash。它与后端flash颗粒之间存在托管协议。数据写入flash的时候，除了主机发送的数据或者原始数据，其他数据都必需举行ecc校验。ecc是通用的称谓，里面有多种算法，其中包括纠错率较低的bch算法，lapc低密度校验码等。数据读出的时候，通过扰码，加扰，解扰，看ecc是否浮现错误，若有错则在纠错后将芯片发到内部，供后

3、续的程序处理。因此，后端拜访flash的主要任务即是管理后端flash颗粒，包括各种参数控制和数据io。其次，前端提供拜访接口和协议前端提供拜访接口和协议，跟主机驱动通信，利用标准格式输配到系统里面，接收主机端发过来的命令，即完成、实现对应的sas/sata target协议端或者nvme协议端，猎取host发出的io命令并解码和生成内部私有数据结构等待执行。假如遵从nvme标准，包括提交指令的办法、完成指令的处理办法等都定好了，包括各种队列、队列深度，queue pair的总体数量最大可以达到64k个，队列深度也可达64k个，所以，系统里同时可能存在64k×64k io排着，但是目

4、前的系统是用不到这么多queue的，由于底下的介质速度还不足以支撑。第三，ftl层核心层处理核心层ftl层，是一款flash控制器的关键竞争力所在。它既可以是纯软件算法，包括元数据管理，数据布局影射、磨损均衡、垃圾回收、缓存策略、片间raid和掉电元数据全都性保障等内容。同时，它也可以在举行重复性工作时辅以硬加速引擎。这是非纯软件的，辅有硬加速的成分在里面。硬加速涉及到所用法的芯片。有的芯片支持硬加速，比如说链表的维护。这是由于做垃圾回收时需要要用到链表，拿传统的软件算法，插入一个或者追加一些项目，所耗费的cpu周期较大，此时用硬加速并行，再加上一些硬规律的加速，则可节约开销。flash控制器

5、的两种策略和方式：现有的flash控制器可采纳两种方式：一种是少量的强核心加少量硬件加速。所谓强核心就是一个核心的性能高、频率高，分支预判、并行度、单元数量、执行管道，各种参数都高于普通水平。核心强了以后，硬加速就不需要这么多了，可以用少量的硬加速。另一种方式则是大量弱核心+大量硬加速。比如说16个核心，每个核心比较弱，但是能够增强执行的并行度，有16个并发核心执行，跑16套处理程序，这是两种架构。这是一种多核心配合架构模式，其配合方式可以是同构配合也可以是异构配合1.同构配合就是每个核心做的事都是彻低一样的，处理的步骤彻低一样。假如你的控制器阵列里面有16个io，有16个核心，每个核心都能处

6、理一个io，这是同构配合。2.异构配合则是多个核心做不同的事情。处理同一个io，第一个io第一步，第一个核心处理，这个核心处理完以后，把这个io扔到下一个核心，再处理下一步，等这个核心空出来以后，处理下一个io的第一步，这就是所谓的流水线了，所谓的异构就是如此。产品实例：pmc的flashtectm nvme 控制器这是pmc的控制器，首先它有一个片上网络，网络承载16个cpu核心，每个核心里面有一个类似网卡的控制器，网卡连到网络上，多个cpu之间连起来。容易说就是4口路由器或者交换机连起来的网络，多个cpu之间连起来，此外还有硬加速模块。另外还包括以下几部分：·ram控制器，由于芯

7、片上需要有一定量的ram放暂时数据，写放大，读出来写进去，都要走ram；·pcie控制器，这个是跟前端pcie对等的控制器，io命令从这儿接收过来；·后端flash控制器，通过一定数量的通道连flash颗粒，·加速器（包括缓冲加速器），每做一个操作，都需要有相应的内存，把数据拷到内存里面，内存的维护很费时费劲。比如在x86上运行的，其管理内存时需要耗费无数的计算量。对于闪存，精打细算，必需把性能做到极致，因此需用到硬加速。·链表加速器，用链表来记录一些信息，哪块空着，哪块被应用，这块用软件维护很费劲，所以需要在这里作加速;·xor加速器，xor要用硬加速·最后，来看一下软件的并行度。16个核心，pmc提供的参考的固件，固然ssd厂商会开发自己的固件，把自己优化的东西放进去，优化的算法放进去。基本上包含了这么一些程序，每个io读的地址可能有重叠，重叠就需要有一个锁定协调，有管指令解析的，有管启动的，有管日志的，有管磨损均衡的，有管查表的，有管写数据的，管前端的pcie manager，还有负责boot loader的核心，初始化的配置，需要由它处理，data manager，这是