無(wú)論是為了防止數(shù)據(jù)泄露，還是更改硬盤(pán)格式，我們通常會(huì)進(jìn)行格式化操作。在Windows或Linux shell中對(duì)SSD進(jìn)行格式化（format）時(shí)，往往需要幾分鐘甚至幾十分鐘，這個(gè)時(shí)間通常與硬盤(pán)容量成正比。那么在這段時(shí)間里，SSD到底做了些什么操作呢？

為更好地理解本文，這里需要介紹一些SSD的工作原理。熟悉NVMe協(xié)議的讀者可跳過(guò)此部分。

· NVMe over PCIe數(shù)據(jù)傳輸原理

如圖所示，主機(jī)和SSD控制器（下文統(tǒng)一稱為“控制器”）通過(guò)隊(duì)列對(duì)（Queue Pair）進(jìn)行管理命令（Admin Command）和IO命令（I/O Command）的交互。主機(jī)將命令提交到發(fā)布隊(duì)列（Submission Queue），控制器從發(fā)布隊(duì)列中獲取命令，執(zhí)行完成后將命令完成消息提交到完成隊(duì)列（Completion Queue），主機(jī)從完成隊(duì)列獲取命令完成消息，認(rèn)為此命令執(zhí)行完成。

· LBA格式

如上圖所示，硬盤(pán)格式主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：

1、Sector Size：圖中LBA n Data區(qū)域，表示硬盤(pán)進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)的邏輯塊大小（通常為512或4096字節(jié)）；

2、Metadata Size：表示主機(jī)允許攜帶的元數(shù)據(jù)大小以及Metadata的傳輸方式（如圖所示，Extend Buffer傳輸和Separate Buffer傳輸）；

3、PI（Protection Information）：指是否有PI以及其在Metadata中的位置（在Metadata的起始字節(jié)還是末尾字節(jié)）。協(xié)議要求在1.0及以后的版本中，PI信息需放在Metadata的末尾字節(jié)。

在Linux下使用nvme list命令可以查看系統(tǒng)中的NVMe設(shè)備信息，其中紅框標(biāo)注的字段表示當(dāng)前硬盤(pán)的LBA格式：（1）Sector Size = 512B，Metadata Size = 0，沒(méi)有PI數(shù)據(jù)；

（2）Sector Size = 4096B，Metadata Size = 0，沒(méi)有PI數(shù)據(jù)。

了解上述基礎(chǔ)知識(shí)后，我們來(lái)具體看看控制器執(zhí)行format時(shí)到底做了哪些操作。

1、命令參數(shù)的校驗(yàn)

（1）目標(biāo)NSID：是否支持FFFFFFFF NSID、目標(biāo)NSID是否有效。

（2）目標(biāo)LBA格式：在命令中，目標(biāo)格式以數(shù)組下標(biāo)的形式提供給控制器，由LBAFU和LBAFL共同組成，指向特定的目標(biāo)格式。

主機(jī)通過(guò)Identify命令從Namespace Identify數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中獲取名字空間支持的目標(biāo)格式。最多支持64種格式，根據(jù)命令中組成的數(shù)組索引，可以在該結(jié)構(gòu)中找到目標(biāo)格式規(guī)定的Sector Size和Metadata Size。

（3）PI信息：PI信息通過(guò)Metadata傳輸，因此支持PI信息的前提是支持Metadata。

2、停止IO調(diào)度

如下圖所示的IO流程中，控制器在第3步時(shí)不再?gòu)陌l(fā)布隊(duì)列中獲取新的IO命令，但已經(jīng)在控制器內(nèi)存中的命令仍會(huì)繼續(xù)執(zhí)行。

3、將用戶區(qū)數(shù)據(jù)全部落盤(pán)

IO數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)主機(jī)內(nèi)存和控制器內(nèi)存這兩個(gè)易失性存儲(chǔ)后，才會(huì)寫(xiě)入非易失性存儲(chǔ)NAND顆粒。在實(shí)際的固件應(yīng)用中，控制器會(huì)先將主機(jī)下發(fā)的數(shù)據(jù)臨時(shí)保存在控制器內(nèi)存中，只有在滿足一個(gè)PU（Program Unit）時(shí)，才會(huì)統(tǒng)一將數(shù)據(jù)刷新（FLUSH）到NAND顆粒中。在格式化時(shí)，如果主機(jī)下發(fā)的數(shù)據(jù)不滿足一個(gè)PU，就需要補(bǔ)充虛擬數(shù)據(jù)（dummy）以達(dá)到一個(gè)PU的大小，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)落盤(pán)。

4、下發(fā)全盤(pán)擦除命令，將所有用戶數(shù)據(jù)擦除干凈。

5、使用新的格式重新初始化相關(guān)硬件和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

6、根據(jù)新的format格式修改Namespace Identify數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如NSZE、NCAP和格式索引等屬性。

例如，當(dāng)舊格式Sector Size為512字節(jié)，新格式為4096字節(jié)時(shí)，NSZE和NCAP描述的是以Sector Size為粒度的數(shù)量，因此需要將NSZE和NCAP分別除以8。

7、恢復(fù)IO調(diào)度，控制器將重新從命令發(fā)布隊(duì)列中獲取IO命令，并提交format結(jié)果到命令完成隊(duì)列。

在主機(jī)端執(zhí)行format操作如下：

首先，使用Identify命令查看支持的lbaf格式以及當(dāng)前使用的格式。如下圖所示，目前格式為Sector Size=4096，Metadata Size=0。

nvme list命令顯示也符合上述描述：

接著，輸入nvme format命令，指定nsid=1，格式索引為0（代表Sector Size=512，Metadata Size=0），切換成功后，日志（log）顯示相應(yīng)信息：

最后，再次使用Identify命令查看支持的lbaf格式及當(dāng)前使用的格式，如下圖所示，顯示目前格式為Sector Size=512，Metadata Size=0：

通過(guò)使用Format NVM命令，可以在SSD所支持的不同格式之間切換，實(shí)現(xiàn)低級(jí)格式化的功能。由于格式化操作會(huì)擦除盤(pán)上原有的數(shù)據(jù)，因此在執(zhí)行格式化之前，務(wù)必將所有的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，以防數(shù)據(jù)丟失。

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