固态硬盘掉电怎么恢复数据

掉电分两种，一种是正常掉电，一种是异常掉电。不管是哪种原因导致的掉电，重新上电后，SSD 都需要能从掉电中恢复过来，继续正常的工作。

先说正常掉电。在掉电前，主机会通过命令通知SSD，比如SATA中的IdleImmediately，SSD收到该命令后，主要会做以下事情：

• 把buffer中缓存的用户数据刷入到闪存；

• 把映射表刷入到闪存；

• 把闪存的块信息写入到闪存（比如当前写的是哪个闪存块，以及写到该闪存块的哪个位置，哪些闪存块已经写过，哪些闪存块又是无效的，等等）；

• 把SSD其它信息写入到闪存。

主机等SSD处理完以上事情后，才会真正停止对SSD的供电。正常掉电不会导致数据的丢失，重新上电后，SSD只需把掉电前保存的相关信息（比如映射数据，闪存块信息等等）重新加载，又能接着掉电前的状态继续工作。

如果SSD世界只存在正常掉电，那么SSD的实现就会简单很多。可是，正如歌里唱的那样：

没有一点点防备

也没有一丝顾虑

你就这样出现在我的世界里

带给我惊喜

情不自已

突如其来的掉电，对SSD来说，没有“喜”，只有“惊”。

所谓的异常掉电，就是SSD在没有收到主机的掉电通知，就被断电；或者收到主机的掉电通知，但还没有来得及处理上面提到的那些事情，就被断电了。异常掉电可能会导致数据的丢失，比如缓存在主机中的数据来不及写到闪存，掉电导致这部分数据丢失；还有，根据闪存特性，如果掉电发生在写MLC的Upper page，会导致其对应的Lower Page数据遭到破坏，也就是意味着之前写入闪存的数据也可能由于异常掉电导致丢失。异常掉电恢复的目的一方面是尽可能恢复用户数据，把损失减到最低；另一方面是让SSD经历异常掉电后还能正常工作。

SSD为什么怕异常掉电？它不是用闪存做存储介质吗？它不是数据掉电不丢失吗？没错。不过，一个SSD，除了数据掉电不丢失的闪存，还需要有掉电数据丢失的RAM，SRAM或者DRAM。闪存的作用是存储数据，而RAM主要是SSD工作时用以缓存用户数据和存放映射表 （Map Table，逻辑地址映射闪存物理地址）。所以一旦掉电，RAM的数据就会丢失。

为防止异常掉电数据丢失，一个简单的设计就是在SSD上面放电容，SSD一旦检测到掉电，就让电容开始放电，然后把RAM中的数据刷到闪存上面去，从而避免数据丢失。企业级的SSD一般都带有电容。带电容的SSD，还是需要设计异常掉电处理模块，因为电容不能100%保证SSD在掉电前把所有的信息刷入闪存。

还有一个比较前卫的想法，就是把RAM这种Volatile（掉电数据丢失）的东西，用Non-Volatile（掉电数据不丢失）的东西来替代，但要求这种Non-volatile的东西性能上接近RAM。

这样，整个SSD都是Non-volatile的了，妈妈再也不用担心我的SSD异常掉电了。Intel和Micron合作开发的3D XPoint，可能作为一个选择。3D XPoint兼有闪存掉电数据不丢失性和内存快速访问的特点。

RAM中缓存的用户数据，主机自认为把它们写到SSD了（非FUA命令，数据写到缓存，SSD就返回状态给主机），但SSD只是把它们缓存在RAM中，并没有写到闪存。异常掉电时，如果SSD上没有使用电容，也没有使用其它黑科技，这部分数据是损失无疑。重上电时，主机是再也读不到这些数据了。

掉电还会导致RAM中映射表丢失。映射表数据很重要，对一个逻辑地址，如果SSD查找不到对应的物理地址，它就无法从闪存上读取数据返回给主机；如果映射表中的数据不是最新的，旧的物理地址对应着老的数据，SSD就会错误的把老数据返回给主机。这个问题就严重了。

假设冬瓜哥原账户上有10块钱，最近存入100万，但由于异常掉电导致银行没有把100万写入到数据库，下次冬瓜哥到ATM上一看，怎么还是10块钱，冬瓜哥当场就晕了！异常掉电害死人啊。

但是，和RAM中用户数据丢失不同，RAM中映射表数据是可以有办法恢复过来的。SSD的异常掉电恢复主要就是映射表的恢复重建。

那么，怎么重建映射表呢？下面介绍一种重构策略（不同的SSD重构策略略有不同，但大同小异）。 SSD在写用户数据到闪存的时候，会额外的打包一些数据，我们叫它元数据（Meta Data），它记录着该笔用户数据的相关信息，比如该笔数据对应的逻辑地址，数据写入时间（时间戳）等等。

图1-1 元数据内容示例

因此，用户数据在闪存中是像下面一样子存储的：

图1-2 元数据和用户数据存储示例

以上图为例，如果我们读取物理地址Pa x，就能读取到元数据 x和用户数据 x，而元数据是有逻辑地址La x的，因此，我们就能获得映射： La -→Pa x。 映射表的恢复原理其实很简单，只要全盘扫描整个闪存空间，就能获得所有的映射关系，最终完成整个映射表的重构。

原理简单，但实现起来还有一些问题需要考虑，比如如何解决数据新旧问题，重构速度问题等等。

同一逻辑地址，用户可能写过若干次，在闪存空间，该逻辑地址对应的数据有很多是旧数据，只有一笔是新数据，那么如何甄别哪些数据是旧的，哪个数据是最新的呢？如何让逻辑地址映射到最新数据所在的物理地址呢？以上图为例，SSD起初把逻辑地址La 2的数据写在物理地址Pa 2上；后面，用户又改写了那笔数据，SSD把它写到了物理地址Pa 8上。我们知道，用户最后写入的数据总是最新的。在这里，时间戳(TS,Timestamp)帮上大忙了，哪个值大，就表示哪个是最后写入的。SSD可以依赖Meta data中的时间戳来区分新旧数据的。图4-42中，在全盘扫描时，假设扫描顺序是从物理地址Pa 1到物理地址Pa x，对逻辑地址La 2来说，开始会产生映射La →Pa 2, 但扫描到Pa 8时，发现时间戳比之前的更新，于是新的映射取代旧的映射，最后得到映射关系：La →Pa 8。

全盘扫描有一个问题，就是映射表恢复很慢，所耗的时间与SSD容量成正比。现在SSD容量都到TB级别，全盘扫描映射方式，重构映射表需要花费几分钟甚至几十分钟，这在实际使用中，用户是不能接受的。那SSD内部怎么快速恢复映射表呢？

一种办法就是SSD定期的把SSD中RAM的数据（包括映射表和缓存的用户数据）和SSD相关的状态信息（诸如闪存块擦写次数，闪存块读次数，闪存块其它信息等等）写入到闪存中去，与正常掉电前SSD要做的事情类似，这个操作我们称之为做Checkpoint（检查点，但我觉得翻译成“快照”更合适点）。如下图所示。

图1-3 定期给SSD拍照

假设上图中，在做完快照C后，做下一个快照D之前，SSD在X处发生了异常掉电：

图1-4 异常掉电发生在快照C后

重上电，SSD可以从闪存中读取到最新的快照信息，即快照C。由于异常掉电，从快照C处到X处新产生的映射关系丢失。由于之前绝大多数的映射关系都被快照C保存，因此需要重建的映射关系仅仅是快照C之后产生的映射关系，这部分关系的恢复，仅需扫描一些局部的物理空间，因此，相对全盘扫描，映射表重建速度大大加快。

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