解讀傻傻分不清的硬盤緩存和緩沖

在半年以前，很多NVMe固態(tài)硬盤用戶都記得一條安裝完系統(tǒng)之后必做的優(yōu)化：打開設(shè)備管理器，在NVMe固態(tài)硬盤中勾選“關(guān)閉設(shè)備上的Windows寫入高速緩存緩沖區(qū)刷新”。這句話特別拗口，緩存(Cache)是什么?緩沖(Buffer)又是什么?

除了上圖中的疑惑，平時我們談到固態(tài)硬盤的SLC緩存以及DRAM緩存，也有很多讀者朋友疑惑不解。嚴(yán)格來說，有很多應(yīng)該叫緩沖的地方被誤稱為緩存。這些概念的混淆就在今天解開吧!

什么是緩存?

緩存是為了彌補(bǔ)不同硬件設(shè)備之間的速度鴻溝而引入的中間層，它的目的主要是為了加快訪問速度。比如CPU-Z軟件中我們查看CPU有幾層緩存，每一層緩存的容量有多大。一級緩存最小，但它的速度最快，三級緩存最大，但速度偏慢。在CPU緩存之下就是主內(nèi)存DRAM了，速度比三級緩存更慢。

大家知道，無論是機(jī)械硬盤還是固態(tài)硬盤，它的速度跟DRAM內(nèi)存相比又要慢出很多。所以Windows操作系統(tǒng)自帶了一套緩存體系，將剩余內(nèi)存空間用于緩存從硬盤讀寫的數(shù)據(jù)。

在任務(wù)管理器-性能-內(nèi)存中可以看到。已緩存的內(nèi)容包含了預(yù)讀的數(shù)據(jù)，也包括剛剛用過，未來有可能重復(fù)用到的數(shù)據(jù)。正是因?yàn)閃indows已經(jīng)自帶了內(nèi)存緩存體系，所以有些固態(tài)硬盤廠商推出的“內(nèi)存加速程序”，譬如RAP*D Mode、Pl*xTurbo、Moment*m Cache，其實(shí)都是糊弄小白的障眼法，重復(fù)性的緩存并不能起到真正的提速效果。

為了解決內(nèi)存和硬盤之間的速度差，所有硬盤都搭載了寫入緩存，它是集成在硬盤上的一小塊內(nèi)存區(qū)域，用于在接收寫入數(shù)據(jù)，硬盤可以直接回報(bào)寫入完成，然后稍后完成數(shù)據(jù)實(shí)際寫入到存儲媒介(機(jī)械硬盤的盤片或固態(tài)硬盤的閃存單元)的過程。

在TLC固態(tài)硬盤內(nèi)部，還存在一套應(yīng)對SATA接口與閃存間速度差異的緩存——SLC Cahce。根據(jù)型號的不同，固態(tài)硬盤的SLC Cache容量不盡相同，但作用都是一樣的：提升固態(tài)硬盤的爆發(fā)寫入速度。東芝TR200 240G的SLC緩存容量約有3.5GB。

什么是緩沖?

現(xiàn)實(shí)中“緩沖”的出現(xiàn)頻率要比“緩存”低很多。在設(shè)備管理器的網(wǎng)卡設(shè)置當(dāng)中，可以看到接收緩沖與發(fā)送緩沖。緩沖的作用是平衡速度、流量整形，將大量零碎存取請求整合成平穩(wěn)連續(xù)、較大規(guī)模的一次存取操作，從而提高處理效率。

接下來我們回歸正題，硬盤上的緩存和緩沖到底是什么?

機(jī)械硬盤時代，由于盤片讀取效能太差，需要有DRAM來承擔(dān)緩存的作用，利用Read ahead將程序請求讀取范圍之外的一點(diǎn)點(diǎn)數(shù)據(jù)提前加載到DRAM芯片當(dāng)中，希望靠“蒙對下一次讀取請求”的方式來提高性能。所以機(jī)械硬盤時代更大的緩沖容量有機(jī)會帶來更高的性能。

東芝在1987年發(fā)明了NAND閃存，并在多年之后帶來了固態(tài)硬盤的問世。由于閃存的讀取速度非?？?，Read ahead已經(jīng)不能提供收益，所以固態(tài)硬盤的DRAM芯片中存儲的并不是預(yù)讀的數(shù)據(jù)，而是用于管理閃存邏輯-物理地址映射表的元數(shù)據(jù)。此時DRAM芯片的容量已經(jīng)不再跟性能直接掛勾。

下圖是東芝TR200固態(tài)硬盤拆解圖。TR200是東芝推出的DRAM less方案3D閃存固態(tài)硬盤，也就是說TR200是沒有DRAM芯片的。它的閃存映射表結(jié)構(gòu)經(jīng)過了優(yōu)化，能夠直接存儲在閃存以及主控內(nèi)集成的小容量SRAM當(dāng)中。

盡管沒有DRAM芯片，但是TR200的Toshiba TC58NC1010GSB主控依然具備SRAM來完成緩沖的作用。發(fā)送到TR200的隨機(jī)寫入請求會在SRAM當(dāng)中進(jìn)行整合排隊(duì)，比如將幾個字節(jié)的寫入合并成至少一個閃存Page頁大小(通常為16KB)的數(shù)據(jù)，然后寫入到閃存當(dāng)中。由于有閃存映射表的存在，對于電腦主機(jī)而言，這些寫在一處(互相臨近位置)的數(shù)據(jù)在LBA邏輯地址上有可能還是天各一方的隨機(jī)分散狀態(tài)。

總結(jié)來說，固態(tài)硬盤當(dāng)中既有緩存(SLC Cache)機(jī)制，也有緩沖(Buffer)機(jī)制，前者主要是為了提升爆發(fā)寫入速度，后者則是為了降低隨機(jī)寫入的閃存寫入放大率，提升隨機(jī)寫入的處理效率和響應(yīng)速度，二者相輔相成，共同提升了固態(tài)硬盤的性能表現(xiàn)。

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