本书从基础认知、核心技术、协议、测试和闪存系统五个方面对SSD固态存储进行全面且深入解读。相较于第1版，本书新增了近40%的新内容，并对之前20%左右的过时内容进行了更新或删减。

基础概念部分，新增了近3年固态存储市场和闪存市场的变化，并重点介绍了一些特殊的SSD存储的知识，包括可计算存储、工业存储、混合存储以及相关产品架构。

核心技术部分，除原有的主控、存储介质、FTL、ECC的原理和实现外，还专门增加了SSD主控、3D NAND、QLC闪存、新型存储器与SCM、混合式FTL等重点和热点技术。

协议部分在原有基础上对PCIe、NVMe进行了近30%的新内容扩展，同时新增了对UFS协议的介绍和解读。

测试部分基本都是新内容，主要介绍了与SSD相关的测试基本概念、原理、落地方法和工具。

扩展部分是全新的章节，主要对闪存文件系统进行深入解读，这是当前各大SSD厂商及相关从业者关心的内容。

目　　录

赞誉

序1

序2

前言

产品与市场篇

第1章　SSD综述　2

1.1　引子　2

1.2　SSD与HDD　4

1.3　固态存储及SSD技术发展史　7

1.4　SSD基本工作原理　15

1.5　SSD产品核心指标　17

1.5.1　基本信息剖析　18

1.5.2　性能剖析　21

1.5.3　寿命剖析　24

1.5.4　数据可靠性剖析　26

1.5.5　功耗和其他剖析　29

1.5.6　SSD系统兼容性　32

1.6　接口形态　33

1.6.1　2.5in　35

1.6.2　M.2　35

1.6.3　BGA SSD　37

1.6.4　U.2　38

1.6.5　EDSFF　38

第2章　SSD及闪存市场　43

2.1　SSD市场　43

2.1.1　消费级SSD取代HDD　43

2.1.2　SSD和HDD应用场合　45

2.1.3　SSD市场情况　45

2.1.4　国产SSD厂商和产品　46

2.2　闪存市场　57

2.2.1　最新原厂动态　57

2.2.2　闪存发展趋势　72

第3章　专用SSD存储　76

3.1　可计算存储　76

3.1.1　可计算存储的诞生背景　76

3.1.2　可计算存储的应用探索　78

3.1.3　可计算存储的成功案例　84

3.1.4　可计算存储的前景展望　86

3.2　航天存储　87

3.2.1　背景　87

3.2.2　航天存储系统技术现状与

发展趋势　88

核心技术篇

第4章　SSD主控　94

4.1　解读控制器架构　94

4.2　SSD主控厂商　99

4.2.1　SSD主控国际大厂　100

4.2.2　SSD主控国内厂商　103

第5章　NAND闪存　122

5.1　闪存基本原理　122

5.1.1　存储单元及相关操作　122

5.1.2　闪存类型　125

5.1.3　闪存组织结构　128

5.1.4　擦、写、读操作　130

5.1.5　阈值电压分布图　133

5.2　闪存可靠性问题　136

5.2.1　磨损　136

5.2.2　读干扰　137

5.2.3　写干扰和抑制编程干扰　138

5.2.4　数据保持　140

5.2.5　存储单元之间的干扰　141

5.3　数据可靠性问题的解决方案　142

5.4　3个与性能相关的闪存特性　144

5.4.1　多Plane操作　144

5.4.2　缓存读写操作　146

5.4.3　异步Plane操作　147

5.5　3D闪存　148

5.5.1　使用3D技术提高闪存密度　148

5.5.2　3D闪存存储单元　150

5.5.3　3D闪存组织结构　152

5.5.4　3D闪存外围电路架构　154

第6章　FTL详解　156

6.1　FTL综述　156

6.2　映射管理　158

6.2.1　映射的种类　158

6.2.2　映射的基本原理　160

6.2.3　HMB　163

6.2.4　映射表写入　164

6.3　垃圾回收　165

6.3.1　垃圾回收原理　165

6.3.2　写放大　174

6.3.3　垃圾回收实现　176

6.3.4　垃圾回收时机　187

6.4　解除映射关系　187

6.5　磨损均衡　189

6.6　掉电恢复　191

6.7　坏块管理　193

6.7.1　坏块鉴别　194

6.7.2　坏块管理策略　195

6.8　SLC缓存　196

6.8.1　SLC缓存写入策略和分类　196

6.8.2　读写过程　197

6.8.3　数据迁移　198

6.9　读干扰和数据保持　199

第7章　ECC原理　202

7.1　信号和噪声　202

7.2　通信系统模型　203

7.3　纠错编码的基本思想　204

7.3.1　编码距离　205

7.3.2　线性纠错码的基石—奇偶

校验　205

7.3.3　校验矩阵H和生成矩阵G　206

7.4　LDPC原理简介　207

7.4.1　LDPC是什么　207

7.4.2　Tanner图　208

7.5　LDPC解码　209

7.5.1　Bit-f?lipping算法　209

7.5.2　和积信息传播算法　211

7.6　LDPC编码　216

7.7　LDPC纠错码编解码器在SSD

中的应用　217

协　议　篇

第8章　PCIe介绍　222

8.1　从PCIe的速度说起　222

8.2　PCIe拓扑结构　225

8.3　PCIe分层结构　228

8.4　PCIe TLP类型　231

8.5　PCIe TLP结构　234

8.6　PCIe配置和地址空间　239

8.7　TLP的路由　244

8.8　数据链路层　251

8.9　物理层　256

8.10　PCIe重置　259

8.11　PCIe大有效载荷和大读

请求　264

8.12　PCIe SSD热插拔　265

8.13　SSD PCIe链路性能损耗分析　266

8.14　PCIe省电模式ASPM　269

8.15　PCIe其他省电模式　272

8.16　PCIe 4.0和5.0介绍　273

8.17　SR-IOV　274

第9章　NVMe介绍　277

9.1　AHCI到NVMe　277

9.2　NVMe综述　279

9.3　吉祥三宝：SQ、CQ和DB　283

9.4　寻址双雄：PRP和SGL　289

9.5　Trace分析　295

9.6　端到端数据保护　299

9.7　Namespace　303

9.8　NVMe动态电源管理　308

9.9　NVMe over Fabrics　312

9.9.1　概述　314

9.9.2　NVMe over RDMA概述　318

9.9.3　NVMe over TCP概述　322

9.9.4　案例解读　325

9.9.5　全闪存阵列　334

9.10　ZNS简介　347

9.10.1　从Open-Channel说起　347

9.10.2　ZNS的核心概念　350

9.10.3　ZNS中的核心命令　354

9.10.4　ZNS的优势　356

9.10.5　ZNS SSD应用场景和软件

生态　356

9.11　CMB和HMB简介　358

9.11.1　CMB简介　358

9.11.2　HMB简介　358

9.12　Key Value命令集简介　359

9.12.1　Key Value存储架构　359

9.12.2　NVMe Key Value命令集　361

第10章　UFS介绍　363

10.1　UFS简介　363

10.2　UFS协议栈　368

10.2.1　应用层　369

10.2.2　传输层　371

10.2.3　互联层　371

10.3　UPIU　373

10.3.1　UPIU事务　374

10.3.2　UPIU格式　377

10.4　逻辑单元　379

10.5　RPMB　381

10.6　UFS低功耗简介　386

10.7　WriteBooster　388

10.8　HPB　390

测　试　篇

第11章　SSD测试　394

11.1　初始SSD测试　394

11.1.1　协议验证测试　394

11.1.2　系统应用测试　395

11.1.3　SSD的主要测试内容　395

11.2　SSD常规性能测试　398

11.2.1　消费级SSD性能测试　399

11.2.2　企业级SSD性能测试　400

11.2.3　SNIA测试　406

11.3　FTL功能模块测试　412

11.3.1　写放大测试　412

11.3.2　垃圾回收测试　413

11.3.3　磨损均衡测试　415

11.4　掉电恢复测试　416

11.4.1　SSD掉电恢复测试　416

11.4.2　整机掉电测试　417

11.5　数据完整性测试　418

11.6　回归测试　419

11.7　DevSlp测试　420

11.8　PCISIG测试　422

11.9　耐久度测试　424

11.10　验证与确认　429

11.11　测试设备与仪器　430

11.11.1　仿真器　430

11.11.2　PCIe协议分析仪　431

11.11.3　Jammer　438

11.11.4　测试平台eBird介绍　439

11.11.5　Gen 4&5 NVMe SSD研发

测试工具　442

11.11.6　NVMe SSD热插拔、掉电、

电压拉偏、功耗测试、

边带信号测试　443

11.11.7　NAND闪存测试工具　447

11.11.8　SSD存储开放实验室

介绍　447

扩　展　篇

第12章　闪存文件系统　452

12.1　EXT4文件系统　452

12.1.1　EXT4的发展历史　452

12.1.2　EXT4的物理结构　455

12.1.3　EXT4的内存结构　457

12.1.4　EXT4的容量扩展：范围

映射　462

12.1.5　EXT4的分配策略　464

12.1.6　EXT4的可靠性　465

12.1.7　EXT4的局限性　465

12.2　F2FS文件系统　466

12.2.1　F2FS磁盘布局　466

12.2.2　F2FS中的重要算法　470

12.2.3　F2FS特点总结　473

12.2.4　F2FS最新进展　474