張珮，王曉曼
（長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）
摘要：針對(duì)SATA II接口300 MB/s的最大極限傳輸速度，為突破其瓶頸，提出了一種基于固態(tài)硬盤的RAID 0陣列存儲(chǔ)方案，使得固態(tài)硬盤在SATA II 接口下的傳輸性能達(dá)到更高。首先使用兩片英睿達(dá)CRUCIAL容量為256 GB的SSD固態(tài)硬盤單獨(dú)掛載在SATA II接口下測(cè)得傳輸性能；然后設(shè)置主板RAID模式，將其組建RAID得到Volume0，同樣測(cè)得傳輸性能；最后通過對(duì)比測(cè)試，RAID 0 SSD整體的持續(xù)讀寫性能明顯優(yōu)于單盤SSD。性能測(cè)試結(jié)果表明，SSD在數(shù)據(jù)的讀取寫入、突發(fā)傳輸速率等方面都遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)械硬盤，RAID 0更能使得SSD的性能達(dá)到最大，突破SATA II 接口的峰值傳輸速度。
0引言
在計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的信息時(shí)代，隨著CPU性能的提高，內(nèi)存容量的增加，存儲(chǔ)系統(tǒng)需要一個(gè)更快的設(shè)計(jì)方案，雖然新一代SATA II接口的問世提升了數(shù)據(jù)傳輸速率［1］，但傳統(tǒng)的5 400轉(zhuǎn)、甚至7 200轉(zhuǎn)機(jī)械硬盤的讀寫速度仍是制約PC存儲(chǔ)性能的瓶頸，因此，設(shè)計(jì)出高性能的固態(tài)硬盤（Solid State Drives，SSD）。該固態(tài)硬盤內(nèi)部采用Flash閃存芯片構(gòu)建存儲(chǔ)介質(zhì)，數(shù)據(jù)的讀寫操作由主控芯片協(xié)調(diào)，與傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤相比，無馬達(dá)和磁盤，因此沒有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)噪音。基于無機(jī)械部件的數(shù)據(jù)傳輸模式，SSD在數(shù)據(jù)的讀取寫入、突發(fā)傳輸速率等方面都遠(yuǎn)優(yōu)于機(jī)械硬盤，并且在省電、抗震性方面也具有很大的優(yōu)勢(shì)［2］。
1固態(tài)硬盤結(jié)構(gòu)
1.1主控芯片
主控芯片在固態(tài)硬盤中處于核心地位，第一能合理地分配數(shù)據(jù)，減少在每個(gè)Flash芯片上的負(fù)荷，第二則是作為高速緩存芯片、閃存芯片和外部數(shù)據(jù)接口之間數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)。不同的主控，在數(shù)據(jù)處理能力、算法和讀取寫入控制閃存芯片能力上會(huì)有很大差異，這直接影響到固態(tài)硬盤產(chǎn)品的性能。圖1為Intel主控芯片，Intel的固態(tài)硬盤有著非常優(yōu)秀的控制能力，擁有先進(jìn)的固件和相應(yīng)的算法，性能和穩(wěn)定性都相當(dāng)優(yōu)秀。圖2為SandForce主控芯片，其獨(dú)有的Dual Class技術(shù)將MLC SSD的性能和壽命都大幅提高。
1.2高速緩存芯片
在機(jī)械硬盤中，DRAM芯片用于數(shù)據(jù)的高速緩存，同樣固態(tài)硬盤進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)也需要高速的緩存芯片輔助主控芯片，圖3是一片128 MB容量的南亞DRAM，不過廉價(jià)固態(tài)硬盤方案考慮到降低成本，除去了DRAM芯片，節(jié)省成本的同時(shí)，卻增加了主控與閃存芯片之間的負(fù)擔(dān)，一旦出現(xiàn)頻繁的零碎文件的讀取和寫入，沒有高速緩存的固態(tài)硬盤性能下降比較明顯。
1.3存儲(chǔ)單元
NAND Flash是固態(tài)硬盤的基本存儲(chǔ)單元，主要用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，相當(dāng)于機(jī)械硬盤的磁盤，NAND Flash分為兩類：SLC單層單元和MLC多層單元［3］。SLC成本高、存儲(chǔ)容量小，但是速度快、錯(cuò)誤率低，一般應(yīng)用于工作站；而MLC恰恰相反，容量大、成本低，但是速度慢、錯(cuò)誤率高。使用壽命方面，SLC比MLC更長(zhǎng)。因此，在MLC中，通?？刂菩酒疾捎眯ｒ?yàn)和智能磨損平衡算法，平均分?jǐn)偯總€(gè)存儲(chǔ)單元的寫入次數(shù)，增大故障間隔時(shí)間(MTBF)，從而延長(zhǎng)MLC的使用壽命。圖4是三星公司的MLC NAND Flash芯片。
2固態(tài)硬盤優(yōu)缺點(diǎn)
(1)讀寫性能優(yōu)異:相比機(jī)械硬盤無需進(jìn)行磁盤尋道，讀取延時(shí)小，尋址時(shí)間與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置無關(guān)，因此，使用中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)碎片不會(huì)影響讀取時(shí)間。
(2)無噪音：SSD內(nèi)部無馬達(dá)、磁片等機(jī)械部件，因此工作噪聲基本為零。
(3)防震抗摔：基于全部閃存芯片，沒有磁頭，因此即使在高速移動(dòng)或震動(dòng)的情況下，也不會(huì)出現(xiàn)磁道損壞的情況。
(4)體積小，重量輕：1.8英寸固態(tài)硬盤重量大約為25 g，應(yīng)用在高度集成的便攜式筆記本電腦中，可以有效降低機(jī)器內(nèi)部占用空間，減輕機(jī)身重量。
但是固態(tài)硬盤擁有眾多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也伴隨著生產(chǎn)成本高、數(shù)據(jù)不易恢復(fù)、存儲(chǔ)容量相對(duì)小、讀寫次數(shù)有限等劣勢(shì)，一般需要存儲(chǔ)大容量數(shù)據(jù)時(shí)，不會(huì)考慮使用SSD固態(tài)硬盤，因此普及使用相對(duì)比較困難。
3RAID 0磁盤陣列
3.1RAID 0簡(jiǎn)介
RAID 0又稱為Stripe或Striping，RAID 0是RAID級(jí)別中存儲(chǔ)性能最高的。RAID 0的工作原理圖如圖5所示，其工作方式是把連續(xù)的數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)在多個(gè)磁盤上，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，多個(gè)磁盤并行執(zhí)行，每個(gè)磁盤分別執(zhí)行各自的那部分?jǐn)?shù)據(jù)請(qǐng)求［4］。這樣就可以充分利用總線帶寬，使得磁盤整體的存儲(chǔ)性能相對(duì)于單盤性能有很大的提升。
理論上，RAID 0中硬盤數(shù)量與傳輸速度成正比，但在實(shí)際使用中受系統(tǒng)I/O總線和其他因素的影響，會(huì)出現(xiàn)一定的衰減。另外，在讀寫速度得到了提升的同時(shí)，4 K隨機(jī)讀取速度也會(huì)隨著硬盤數(shù)量的增多而降低。
使用SSD組建RAID 0不提供數(shù)據(jù)冗余，運(yùn)行時(shí)只要其中任意一塊硬盤出現(xiàn)問題就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)數(shù)據(jù)的故障，損壞的數(shù)據(jù)也將無法得以恢復(fù)。因此RAID 0 適合應(yīng)用在對(duì)性能要求較高，而不太注重?cái)?shù)據(jù)丟失的領(lǐng)域。對(duì)于PC用戶而言，RAID 0 能夠發(fā)揮出SSD的最高性能，用戶可以體驗(yàn)更加流暢的高性能系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境。
3.2RAID 0性能分析
AS SSD Benchmark是一款專業(yè)的固態(tài)硬盤性能測(cè)試軟件，能測(cè)出固態(tài)硬盤的持續(xù)傳輸速度，以及單線程和多線程下4 KB小文件的隨機(jī)性能等，準(zhǔn)確率很高。實(shí)驗(yàn)采用兩片英睿達(dá)CRUCIAL容量為256 GB的SSD固態(tài)硬盤，分別在運(yùn)行Windows 7系統(tǒng)的PC SATA II接口下測(cè)得單盤性能指數(shù)和RAID 0性能指數(shù)，分析測(cè)試結(jié)果可以看出，如圖6所示。單SSD的持續(xù)讀取速度為234.52 MB/s，持續(xù)寫入速度為214.99 MB/s；圖7所示的RAID 0 的持續(xù)讀取速度可達(dá)465.56 MB/s，持續(xù)寫入速度為327.27 MB/s，突破了SATA II接口下300 MB/s的最大傳輸速率。不過也可以看出，RAID 0的4 K隨機(jī)讀取速度并沒有提升，這是受RAID 0工作機(jī)制原理所制約的。
3.3Trim對(duì)SSD重要性及開啟RAID下的Trim
Trim是針對(duì)固態(tài)硬盤而研發(fā)的技術(shù)。Trim功能需要系統(tǒng)以及主板芯片的支持，Windows 7及以后的操作系統(tǒng)均已支持Trim功能，現(xiàn)在Intel已支持7系芯片組RAID 0模式下的TRIM，但有兩個(gè)前提條件，一是Optional ROM SATA（OROM）控制器BIOS版本要高于11.0，二是RST驅(qū)動(dòng)版本要高于11.2。
機(jī)械硬盤在寫入數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)先擦除舊數(shù)據(jù)，然后將新數(shù)據(jù)寫入到磁盤中。而在刪除數(shù)據(jù)時(shí)，操作系統(tǒng)只會(huì)在此處做個(gè)標(biāo)記，備注這塊區(qū)域沒有數(shù)據(jù)，等到要寫入數(shù)據(jù)時(shí)再來刪除，并且做標(biāo)記這一過程會(huì)緩存在磁盤中，等到磁盤空閑時(shí)再執(zhí)行［5］。磁盤執(zhí)行以上操作會(huì)花費(fèi)一段時(shí)間，速度自然會(huì)變慢。
Trim的原理是當(dāng)操作系統(tǒng)識(shí)別到SSD并確認(rèn)已開啟Trim后，在刪除數(shù)據(jù)時(shí)，不會(huì)在硬盤上執(zhí)行刪除指令，而是使用Volume Bitmap來做標(biāo)記，說明已經(jīng)刪除了此處的數(shù)據(jù)。Volume Bitmap相當(dāng)于一個(gè)磁盤快照，其建立速度明顯快于直接在硬盤上標(biāo)記刪除區(qū)域，節(jié)省了很多中間時(shí)間。寫入數(shù)據(jù)時(shí)，由于NAND閃存是以純粹的數(shù)字形式保存數(shù)據(jù)，因此根據(jù)Volume Bitmap的情況，可以直接向快照中已刪除的區(qū)域?qū)懭胄碌臄?shù)據(jù)，而不用花時(shí)間去擦除舊數(shù)據(jù)，提高了SSD穩(wěn)定性，同時(shí)也延長(zhǎng)了其讀寫壽命。
4結(jié)論
隨著固態(tài)硬盤的逐漸普及，在便攜式筆記本電腦中引入SSD，一方面可以提高筆記本電腦的存儲(chǔ)性能，另一方面可以使得筆記本電腦在經(jīng)常移動(dòng)或者震動(dòng)的場(chǎng)合保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，不會(huì)像機(jī)械硬盤一樣損壞盤體產(chǎn)生磁盤壞道，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，此外固態(tài)硬盤能有效控制機(jī)械噪音，提供一個(gè)安靜的工作環(huán)境。追求更高存儲(chǔ)性能時(shí)，通過組建RAID 0陣列，能使得SSD持續(xù)讀寫性能發(fā)揮到極致，不再受限于SATA口的傳輸瓶頸，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)便攜下的高性能。
參考文獻(xiàn)
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