深入浅出SSD:固态存储核心技术 原理与实战+固态存储技术原理及数据恢复 原理与实战书籍 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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SSDFans，刘永刚 著

图书标签:

• SSD
• 固态存储
• 存储技术
• 数据恢复
• 原理
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• 深入浅出
• 技术
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• 计算机硬件

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出版社： 机械工业

ISBN：9787111599791

商品编码：28477910565

9787111599791 9787121328084

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 

序一 

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

探秘数字世界的基石：存储技术的发展、演进与未来 在信息爆炸的时代，数据已成为驱动社会进步的核心要素。从个人生活中的照片、视频，到企业运营的海量业务数据，再到科研领域的庞大数据集，无一不依赖于高效、可靠的存储技术。本书将带您深入探究构成现代数字世界基石的存储技术，从其发展历程、核心原理，到前沿技术动态，为您勾勒出一幅全景式的知识图谱。 第一章：存储技术的黎明与曙光 在计算机的早期，存储设备的选择相对有限，但每一种都为后续技术的发展奠定了基础。本章将回顾那些具有里程碑意义的存储技术，包括： 穿孔卡片与纸带： 回溯计算机的“婴儿时期”，了解这些“纸上”的记忆如何承载着最初的程序和数据。我们将探讨它们的读写机制、信息编码方式，以及在那个时代所扮演的重要角色。 磁带存储： 剖析磁带技术的工作原理，包括磁性材料的特性、磁头的读写过程，以及其在早期数据备份和归档中的应用。我们将追溯其从庞大的卷盘到现代流媒体磁带的演变，理解其成本效益与持续的生命力。 早期磁盘技术： 介绍固定磁头盘、可移动磁头盘等概念，理解磁鼓、最早的硬盘驱动器如何通过旋转介质和磁头来存储信息。本章将涉及磁介质的物理结构、磁化原理，以及它们如何实现随机访问的突破。 光存储的萌芽： 简要介绍光学存储的早期探索，如激光唱片（LaserDisc）等，为后续光盘技术的出现铺垫。理解光盘如何利用激光读取和写入信息，为多媒体时代的到来播下种子。 第二章：机械硬盘的黄金时代与技术瓶颈 硬盘驱动器（HDD）作为长久以来最主要的存储设备，其发展历程堪称一部技术进步的史诗。本章将聚焦于HDD的核心技术： 磁性存储的精髓： 深入剖析HDD的物理结构，包括盘片（Platter）、读写磁头（Read/Write Head）、主轴电机（Spindle Motor）等关键组件。我们将详细讲解磁性材料的微观结构、磁畴的形成与变化，以及如何通过精确控制磁头的运动和磁化方向来存储二进制信息。 数据编码与纠错： 探讨HDD如何将原始数据转化为可存储的信号，包括但不限于MFM（Modified Frequency Modulation）、RLL（Run-Length Limited）等编码方式。理解数据传输过程中不可避免的错误，以及ECC（Error Correction Code）技术在确保数据完整性方面的重要作用。 磁头悬浮与伺服系统： 揭示磁头如何在盘片表面精确“飞行”的奥秘。本章将详细介绍空气动力学在磁头悬浮中的应用，以及复杂的伺服系统如何实时跟踪盘片旋转，确保磁头准确地定位到目标扇区。 接口技术的发展： 回顾IDE、SCSI、SATA等接口协议的演进，分析它们在数据传输速率、连接方式、设备管理等方面的差异与进步，以及这些接口如何影响存储系统的整体性能。 HDD面临的挑战： 分析HDD在高密度存储、读写速度、抗震性、功耗等方面逐渐显现的瓶颈。理解其机械结构的固有限制，为下一代存储技术的出现埋下伏笔。 第三章：闪存革命的兴起与固态存储的崛起 SSD（Solid State Drive）的出现，彻底改变了存储行业的格局。本章将重点解析SSD的核心技术： 闪存芯片的原理： 深入剖析NAND闪存的工作机制，包括浮栅（Floating Gate）或电荷陷阱（Charge Trap）的工作原理、存储单元的结构（SLC, MLC, TLC, QLC），以及电荷注入与读取的过程。我们将详细阐述其非易失性存储的特性。 SSD的架构与组成： 介绍SSD的主要组件，如NAND闪存颗粒、主控制器（Controller）、DRAM缓存（DRAM Cache）、接口等。理解主控制器在SSD中的核心作用，包括NAND管理、磨损均衡、垃圾回收、坏块管理等关键功能。 磨损均衡（Wear Leveling）： 详述磨损均衡算法的必要性与实现方式。理解闪存单元的擦写次数有限，以及磨损均衡如何将擦写操作均匀分配到所有闪存单元，延长SSD的寿命。 垃圾回收（Garbage Collection）： 解释SSD中“擦除”操作的特性，以及垃圾回收机制如何高效地整理无效数据，为新的数据写入腾出空间，保持SSD的性能。 坏块管理（Bad Block Management）： 阐述在闪存生产和使用过程中出现坏块的普遍性，以及SSD如何通过映射和替换机制来隔离和管理坏块，确保数据的可靠性。 TRIM命令与性能优化： 介绍TRIM命令的作用，它如何指示操作系统哪些数据块不再被使用，从而帮助SSD主控制器更有效地执行垃圾回收，提升SSD的持续性能。 接口与协议的演进： 探讨SATA、NVMe等接口协议对SSD性能的影响。理解NVMe协议如何通过PCIe总线实现更低的延迟和更高的吞吐量，尤其是在多线程、高并发场景下的优势。 SSD的优势与局限： 全面分析SSD在读写速度、低延迟、功耗、抗震性等方面的突出优势，同时探讨其成本、擦写寿命等方面的挑战。 第四章：存储技术的融合与前沿探索 随着技术的不断发展，存储领域也在持续创新，涌现出许多令人兴奋的新技术和发展趋势。 NVMe over Fabrics (NVMe-oF)： 介绍如何将NVMe协议扩展到网络，实现存储资源的远程访问和共享。理解其在数据中心、分布式存储中的应用潜力，以及它如何突破传统的存储网络瓶颈。 3D NAND技术的演进： 深入解析3D NAND技术如何通过垂直堆叠闪存单元来大幅提升存储密度，以及其在降低单位容量成本、提升性能方面的贡献。 新兴存储介质探索： 简要介绍相变存储（PCM）、电阻式RAM（ReRAM）、磁性随机存取记忆体（MRAM）等下一代存储技术的原理与前景。分析它们在速度、能耗、持久性等方面的潜在优势，以及它们可能带来的存储革命。 存储与计算的融合（Computational Storage）： 探讨将计算能力集成到存储设备中的趋势。理解其如何通过就近计算来减少数据搬移，提高处理效率，特别是在人工智能、大数据分析等领域。 软件定义存储（Software-Defined Storage）： 分析如何通过软件来抽象和管理底层硬件存储资源。理解SDS的灵活性、可扩展性和自动化能力，以及它在构建现代化数据中心中的关键作用。 数据安全与恢复技术的挑战： 探讨在海量数据时代，数据丢失、损坏的风险以及相应的防护与恢复策略。简要介绍数据备份、容灾、数据恢复等领域的技术挑战与解决方案。 第五章：实战应用与未来展望 本章将结合实际应用场景，展示存储技术的价值，并展望未来的发展方向。 不同应用场景下的存储选择： 分析服务器、台式机、笔记本电脑、移动设备、企业级存储阵列等不同应用场景对存储性能、容量、成本、功耗等方面的需求，以及如何根据需求选择最适合的存储解决方案。 存储性能的度量与优化： 介绍衡量存储性能的关键指标，如IOPS、吞吐量、延迟等。提供实用的存储性能测试方法和优化建议。 企业级存储解决方案： 探讨RAID技术、SAN（Storage Area Network）、NAS（Network Attached Storage）等企业级存储架构的设计理念与部署要点。 数据中心的存储演进： 分析数据中心在面对日益增长的数据量和多样化的应用需求时，存储基础设施的建设与优化。 AI与存储的深度融合： 展望人工智能技术如何赋能存储管理、数据分析，以及存储技术如何为AI模型的训练和部署提供强大的支撑。 存储的绿色化与可持续发展： 探讨如何通过技术创新和优化设计，降低存储设备的能耗，实现可持续发展。 通过本书的学习，您将不仅能深入理解各类存储技术的原理，更能把握其发展脉络，洞察未来的技术趋势。无论您是IT从业者、技术爱好者，还是希望深入了解数字世界运作机制的学习者，本书都将是您不可多得的参考指南。

评分☆☆☆☆☆

我必须承认，在阅读过程中，我体验到了几次恍然大悟的时刻，尤其是在理解“写放大”（Write Amplification）和“磨损均衡”（Wear Leveling）之间的辩证关系时。第一本书将磨损均衡视为一种为了延长寿命而不得不接受的“性能妥协”，因为它必然会增加无效数据的移动次数，从而加剧写放大。而当我去阅读数据恢复的章节时，我明白了为什么在某些SSD长时间运行后，即便是逻辑损坏，数据恢复的难度也会指数级上升——正是因为磨损均衡算法将数据均匀地分散到了每一个物理块上，使得数据碎片化程度远超传统机械硬盘的逻辑碎片。这种从原理到实践，再从实践反推原理深度的循环学习，构建了一种非常牢固的知识结构。这不是一本可以快速翻阅的书，它需要细嚼慢咽，但付出的时间绝对物超所值，特别是对于需要构建企业级存储解决方案的专业人士而言，它几乎是不可或缺的参考书。

评分☆☆☆☆☆

这两本书的搭配使用，形成了一个非常完美的知识闭环。初读《深入浅出SSD》，你建立的是“如何设计和优化”的宏观视角，让你理解SSD的“为什么是这样的性能”；而阅读《数据恢复》的部分，则是建立了一个“如果出错怎么办”的应急预案，它让你明白在性能极限或故障状态下，“数据到底藏在哪里”。我发现，许多性能瓶颈的根源，其实都与FTL的生命周期管理有关，而一旦FTL管理失控，直接后果就是数据可达性的问题。这种互为表里的学习体验非常畅快，不像市面上很多书籍要么只谈理论，要么只讲操作，这本书巧妙地将“工程实践”和“极端场景应对”融合在了一起。对于想要进入存储行业或者已经身处其中的人来说，这套组合拳的价值，远超出了单本技术手册的范畴，它提供的是一套完整的、覆盖全生命周期的认知体系。

评分☆☆☆☆☆

从书籍的编写风格来看，这两位作者（或者说两个部分的作者）有着非常清晰的读者定位。第一本书，即“深入浅出SSD”部分，语言风格严谨而富有启发性，它采用了大量的图示和数学模型来支撑复杂的概念，非常适合那些希望深入理解底层算法的研发人员。比如讲解GC（垃圾回收）时，它会对比不同策略（如Concurrent vs. Background GC）的性能开销和对实时I/O的影响，这种对工程权衡的深入讨论，让人感觉到作者不仅仅是理论家，更是实战派。而另一本侧重恢复的部分，则更加像一本高质量的“实操手册”，语言更直接、指令更明确，减少了不必要的学术包装，一切都聚焦于“如何定位”和“如何提取”。这种差异化的叙述方式，使得整套阅读体验非常流畅，你可以先建立稳固的理论大厦，再用实战技巧去加固它的地基。

评分☆☆☆☆☆

这本《深入浅出SSD：固态存储核心技术原理与实战》简直是为我这种对存储技术充满好奇的工程师量身定做的。首先，它在理论深度上做得非常到位，毫不含糊地剖析了NAND闪存的工作机制，从最底层的物理结构到复杂的电荷捕获过程，都讲得清晰透彻。我特别欣赏作者在讲解FTL（闪存转换层）时的那种“庖丁解牛”式的分解，将那些看似晦涩难懂的映射、磨损均衡和垃圾回收算法，通过生动的比喻和精确的流程图呈现出来。读完前几章，我对SSD的性能瓶颈、读写差异以及数据持久性问题都有了全新的认识，不再停留在“固态硬盘就是快”的表面认知上。这本书的优势在于，它没有止步于概念的堆砌，而是深入到了实现细节，比如ECC（纠错码）的校验过程和各种P/E周期管理策略，这对于我们日常进行性能调优和故障排查时，提供了坚实的理论基础。我感觉就像拿到了一份SSD内部的“操作手册”，对未来处理更复杂的存储阵列问题信心大增。

评分☆☆☆☆☆

另一本《固态存储技术原理及数据恢复原理与实战》给我带来的震撼是完全不同的侧重，它更偏向于“救火队员”的角色训练。我们都知道，存储系统一旦出现物理或逻辑故障，数据安全就是头等大事，而这本书恰恰精准地击中了这个痛点。它对几种常见的SSD数据丢失场景进行了详尽的分析，比如掉电、固件损坏导致的映射表丢失，甚至是严重的坏块集群问题，都有详细的理论指导。最让我印象深刻的是关于数据恢复工具和底层数据结构解析的部分，作者似乎是把各种商业恢复软件的底层逻辑也给逆向分析了一遍，手把手教你如何通过十六进制编辑器观察原始数据块，如何根据FTL的残留信息重建逻辑地址。虽然数据恢复本身充满挑战，但这本书提供的系统性思维框架，让我明白在数据丢失时，应该遵循怎样的排查顺序，避免二次损坏，这对于任何IT运维人员来说，都是极其宝贵的“保命符”。