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固态硬盘原理和使用注意事项
固态硬盘原理和使用注意事项
其实故事是这样开始的,大概一个月前小编帮某好友配了一部“高端”台式机,i72700K+Z68+GTX680+SSD,那配置看得小编是直流口水。
对于半辈子没见过固态硬盘的TA来说,新机不到20秒的冷启动时间+秒开的WOW简直就是“外星科技”。
可惜用了不到一个月笔者就接到投诉电话:
“怎么越用越慢了啊,开机都要30秒了!
”。
为了避免这类现象再次发生,也为了大家彼此节约宝贵的口水和电话费,于是就有了下面这篇文章:
一、固态硬盘的构成
固态硬盘(SSD)主要有主控芯片(黄圈),缓存(蓝圈),闪存颗粒(红圈)三部分组成。
主控芯片在SSD中的地位就相当于电脑中的CPU,其作用一是合理调配数据在各个闪存芯片上的负荷,作用二是承担了整个数据中转,连接闪存芯片和外部SATA接口。
目前主流的有Intel主控,SandForce主控,Marvell主控。
缓存用于存放临时数据之用,是内存和SSD的中转站。
闪存颗粒(NAND)是SSD的数据处,有MLC和SLC的区分,SLC全称为Single-LevelCell,MLC全称为Multi-LevelCell.两者均为不同类型的NAND颗粒.其中SLC可定义为单层单元闪存,而MLC则是多层单元闪存.两者的主要区别是SLC每一个单元储存一位数据,而MLC通过使用大量的电压等级,每一个单元储存两位数据,数据密度比较大.在实际使用当中,SLC拥有更多的擦写次数,一般为MLC的10倍左右,这就意味着使用寿命要远远高于使用MLC颗粒的SSD,不过由于SLC颗粒目前的良品率并不高导致基于SLC颗粒的SSD价格昂贵,通常只有行业领域才会考虑配置SLC颗粒的SSD.
补充知识:
SSD好像容量不同性能表现也有不同,这又是为何呢?
因为SSD目前主控芯片并没有根据容量去做细分,通常小容量的SSD使用了同样大容量的主控芯片但是闪存数量经过了减少,主控的通道没有全部被使用。
这就好似本来有往返各4条车道的马路只开放了各2条车道,还是相同的车流量,车辆的行进速度当然也就降低了.SSD的主控芯片也是这个道理,一款产品主控芯片都是相同的,假如有8个通道,那么NAND真正完全使用了主控芯片所有8个读写通道的大容量SSD才会将主控芯片的性能完全体现出来,只使用其中4个读写通道的小容量SSD就只能接受性能被阉割的事实了.
二、固态硬盘越用越慢的原因
固态硬盘会越用越慢,这和固态硬盘的工作原理有很大的关系。
固态硬盘使用闪存(NAND)作为储存介质,在数据写入时是以一个页面为单元(通常是4K)。
但在数据擦除时却是以块为单位。
一般来说,一个块相当于128个页面单元,即512KB。
例如,在X块中有A,B,C,D等页面单元。
当要擦除A页面单元数据时,SSD会把整个X块的数据从闪存芯片中读出并写入缓存,随后擦除缓存中X块内的A页面数据,然后擦除闪存芯片中的X块,最后用缓存中不包含A页面的新X块数据重新写入闪存中。
也就是说虽然擦除的只是A页面数据,但B,C,D页面数据也要重新擦除写入。
因此即便只要擦除4KB的数据,SSD也要进行512KB的数据搬运工作。
这个擦除过程包括:
缓存从闪存内读取指定数据—擦除闪存中原有的指定数据—在缓存中修改指定数据—将缓存中修改完成的指定数据写入闪存。
我们在Windows系统中对SSD数据进行删除时,其实只是在该数据存储的位置上做了一个“可以写入”的记号,并没有吧该部分的数据真正删除。
直到该位置需要重新写入新数据时,系统才会进行上面介绍的擦除工作,然后写入新数据。
我们新买固态硬盘的时候,其中的NAND闪存已经预先擦除干净,因此数据可以直接写入,无需完成数据擦除这一步,这时数据的写入速度非常快;随着时间的推移,SSD中从未使用的存储空间越来越少,很多时候必须先擦除闪存中的数据然后再写入,因此其性能就会明显下降。
为了解决这种问题,微软和SSD厂商都做了很大努力,例如Trim、垃圾回收机制等等。
当然这只是原因之一,SSD作为新生事物,很多用户还不了解它的“习性”,把机械硬盘时代养成的习惯搬到SSD身上显然不适合。
固态硬盘也是需要好好“呵护”的,下面我们就来谈谈使用SSD时的注意事项。
三、固态硬盘使用的注意事项
1.使用环境:
Windows7和AHCI是必须的,当然还有SATA3
必须使用Windows7以上的系统才能更好发挥SSD威力
固态硬盘最重要的技术:
Trim
为了解决硬盘降速的问题,微软联合各大SSD厂商开发了一个新技术Trim。
之前我们已经提到SSD删除数据原理(其实只是在该删除数据存储的位置上做了一个“可以写入”的记号,并没有把该部分的数据真正删除。
直到该位置需要重新写入新数据时,系统才会进行上面介绍的擦除工作,然后写入新数据。
)Trim没有中文名称,简单的说Tirm的工作就是“打提前量”它能抽空(即SSD没有频繁读写的相对闲置状态)将已经被标记删除了的数据的块进行整理和适当的CG(垃圾数据回收)。
就工作原理看和覆写时进行的闪存整理没有什么变化,但关键点在于Trim将这个延迟时间从覆写数据的那个时间提前到了标记删除数据后的相对空闲状态(这个时候你对读写速度不敏感),这保证了你以后写入数据时随时有空缺块可以用,自然就显得SSD的写入性能没下降了。
打个比方有一个仓库放满了很多没用的货物,当新货物入库时,你必须先把这些没用的货物清理掉才有空间堆放新货物,很费时间。
如果我能把这些没用的货物在空闲时事先清理掉,那么新货物运到时就可以直接入库,节省了时间。
Trim指令的支持需要同时满足以下三个条件:
1.SSD主控制器和搭配的固件必须支持Trim指令接收:
这一点完全不用我们去担心,只要是SSD,Trim指令必须得支持,不然就和普通U盘没什么两样。
某些商家还经常把“支持Trim指令”作为卖点,对于这一点小编表示很无语。
2.当前操作系统必须支持Trim指令发送:
只有windows7/Server2008R2以上的系统才支持。
什么?
你还在用windowsXP?
别浪费你的SSD了,小编拿个大容量U盘和你换吧~两个换一个,附送新装系统数据恢复一条龙服务!
3.当前使用的磁盘驱动程序必须支持Trim指令传输。
有一点需要说明,Trim指令现在还不支持发送给RAID阵列(据说英特尔SSD最新固件将对RAID0的Trim进行支持)。
所以如果看到有“高富帅”在用SSD组RAID炫速度,大胆地鄙视吧。
补充知识:
Windows7与即将发布的Windows8操作系统对Trim功能支持有所不同,Windows7检测到支持Trim的SSD时会自动开启该功能,并会在系统待机或者轻负载时自动向SSD发送运行Trim指令,其缺点是不支持手动操作。
因此可以看到一些SSD固态硬盘在进行拷机测试后性能会下降,但是待机几分钟后性能会得到恢复。
这其实就是系统自动在空闲时运行Trim让SSD主控芯片对无用的数据进行擦除。
相比之下Windows8更为人性化,把trim功能和日常的磁盘整理程序整合在一起,成为一个可以手动操作的系统组件。
SATA3.0接口才能满足高速SSD的胃口
新出的主板基本上都配备了SATA3.0接口
接口方面,现在主流的SSD都采用SATA3接口,为什么?
因为SATA2接口的最大理论速度只有300MB/S,如果你把一款读取速度500MB/s的SSD接到SATA2接口上...我真的表示很无奈。
然后我们说说BIOS设定,强烈建议开启AHCI模式。
因为AHCI中的原生命令队列特性(NCQ)可以优化用户发送指令的顺序,从而降低设备负荷,提升设备性能。
有些较老的主板可能不支持AHCI,这种产品一般也不会有SATA3.0接口,SSD性能会大打折扣。
2.分区方法:
小分区、少分区
SSD有一种技术叫做“垃圾回收机制”,前面已经讲过Trim是系统用来告诉SSD主控哪些数据所占据的地址是“无效”的,而“垃圾回收机制”就是SSD内部对这些“无效”数据进行清理的过程。
SSD中的擦除只能是“将无效数据所在的整个区域摧毁”,不能像机械硬盘那样实现“点对点精确定位打击”,因此“垃圾回收机制”过程也显得很繁琐—先把区域内的有效数据集中起来,转移到空闲的位置,然后把“问题区域”整个清除,清除出来的地方可以作为下次垃圾回收时的转移地点。
所以“小分区”的概念就出来了。
所谓“小分区”就是不要把SSD的容量都分满,保留一部分容量作为“空闲位置”,用于SSD内部的优化操作,如磨损平衡、垃圾回收和坏块映射。
一般情况下这一步骤厂商已经帮我们设定好了,例如NAND容量128G的SSD,厂家会标称120G,剩下的部分就被设置成了预留空间。
当然如果你十分注重SSD性能,也可以在此基础上继续增加预留空间,在分区的时候只分100G或者更少
如果固态硬盘也能像机械硬盘这样随便分区就好了
“少分区”则是另外一种概念,关系到4k对齐对SSD的影响。
一方面现在主流SSD容量都不是很大,分区越多意味着浪费的空间越多(每个分区总有那么些空间是用不到的),另一方面分区太多容易导致分区错位,在分区边界的磁盘区域SSD性能可能受到影响。
Win7自带的分区工具支持4K对齐
关于4K对齐操作,在机械硬盘时代可能大家都不太注重,但到了SSD时代4K分区对齐与否对性能有着很大的影响。
怎样才能实现4K对齐?
最简单的方法就是用Win7自带的分区工具进行分区,这样能保证分出来的区域都是4K对齐的。
3.平时保养:
不要使用碎片整理,保持分区“苗条”
不要使用碎片整理
把机械硬盘时代的“好习惯”带到了SSD上不一定“好用”。
在以前,我们总会听到各种“砖家”的提醒——系统变慢记得碎片整理,往往整理过后能感觉到系统运行明显快了很多,殊不知碎片整理对于SSD来说完全就是一种“折磨”。
“磁盘整理”对SSD来说是一种折磨
消费级固态硬盘使用的MLCNANDFLASH作为储存介质,这种芯片一般只有5000~10000次的擦写寿命(P/E),碎片整理需要对硬盘频繁擦写,会大大减少SSD的使用寿命,其实,SSD自带的垃圾回收机制就已经是一种很好的“磁盘整理”,再多的整理完全没必要。
Windows的“磁盘整理”功能是机械硬盘时代的产物,并不适用于SSD。
除此之外,可以考虑禁用win7的预读(Superfetch)和快速搜索(WindowsSearch)功能,在SSD平台这两个功能的实用意义不大,通过禁用这两项功能降低硬盘读写频率。
让分区保留足够的剩余空间
如果SSD也这样折腾估计早就崩溃了
前面有说过SSD的“垃圾回收机制”,可以算是SSD内部最考验主控能力的步骤:
当硬盘占用接近“满容量”的时候,垃圾回收的量非常多,主控芯片需要处理大量数据,几乎是满负荷运作,这就是为什么SSD越用越慢的原因之一。
相对廉价的机械硬盘适合当“仓库”使用
所以让分区保持“苗条”很重要,及时清理无用的文件,设置合适的虚拟内存大小,将电影音乐等大文件放到机械硬盘“仓库”等等,让SSD分区保留足够的剩余空间。
4.刷新固件:
最有效的提速方法
“固件”好比主板上的BIOS,固态硬盘的一切内部操作都要依靠固件来控制,可以说固件质量的好坏直接关系到SSD的性能表现,论重要性毫无疑问是排在了第一位。
固件不单直接影响SSD的性能、稳定性,也会影响到SSD的寿命。
优秀的固件包含先进的算法能减少固态硬盘不必要的写入,从而减少闪存芯片的磨损,维持性能的同时也延长了固态硬盘的寿命。
因此及时更新官方发布的最新固件显得十分重要。
记得留意SSD官网的固件版本更新
以Crucial英睿达m464G固态硬盘为例,最初的固件版本号为0002,后来官方发布了版本号为0009的最新固件,具体更新如下:
Crucial英睿达m40009固件更新内容:
提高了持续带宽
提高了PCMarkVanatge评测分数,直接导致了大多数操作系统下的用户体验提升
改良了在大负载下的写入延迟,间接的提升了写入性能
启动速度提高
提高与最新的芯片组之间的兼容性
修复了在某些SATA2和SATA3芯片组下,SATA接口协议速度协调的问题
提高了某些特殊主机(笔记本多数)下的冷启动检测不到问题
0002固件成绩
0009固件成绩
Crucial英睿达m40009固件被称之为“鸡血补丁”,经过测试Crucial英睿达m464G在更新固件之后性能暴增了25%,而最新的0309固件则主要解决了产品通电5200小时以后的蓝屏BUG。
既可以显著提升性能,又能修复产品BUG,何乐而不为呢?
5.恢复指令:
对付SSD降速的终极手段
如果你以前没有注意过前面这些操作,现在的SSD已经被“折腾”得奄奄一息,还有一个终极手段——Trim重置。
这个指令会让SSD回到出厂性能,原地满血复活,但不建议过多使用,因为对SSD来说,每做一次Trim重置就相当于完成了一次完整的擦写操作,对磁盘寿命会有影响。
现在有许多软件都能提供ATA安全擦除指令来重置磁盘,最著名的是HDDErase。
操作过程大致也是将主板BIOS的启动顺序改为光驱优先或者U盘优先,然后插入存好软件的启动设备,进入引导界面,根据提示来操作。
HDDErase操作界面
这里建议使用英特尔固态硬盘工具箱(IntelSSDToolbox)来完成此任务,不用打繁杂的代码,直接在windows下按照提示鼠标操作即可,最大程度的避免了SSD性能衰减。
相较其他固态硬盘只能用格式化磁盘的方式来恢复性能,更为方便。
优化操作界面
IntelSSDToolbox具有以下功能:
使用管理功能对英特尔固态硬盘进行优化程、系统配置调整器和安全擦除。
报告英特尔固态驱动器以及其它驱动器的识别数据。
对英特尔固态驱动器以及其它驱动器使用自我监控、分析和报告技术(SMART)。
检查英特尔固态驱动器以及其它驱动器的SMART阈值,并查看建议的操作。
使用诊断扫描功能检查固态硬盘是否存在读写错误。
四.总结
现在的SSD还是很贵
啰嗦了这么多,其实最主要的原因还是—SSD贵啊!
我们花了这么多软妹币买来的固态硬盘怎么可以说坏就坏,说慢就慢。
因此我们要榨干SSD的每一滴性能,一块钱当两块钱花,两块钱当四块钱用,日常操作中只要注意以上几点,基本上就能保障固态硬盘的正常运作。
其实小编一直在想,要是SSD能和U盘一样便宜那该多好,到时候我就不管三七二十一,买上一大堆SSD,一个主力使用,一个临急备用,还有一个拿来垫桌角。
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