Background IO，从字面理解即后台IO任务，它和前台IO是相对应的关系。前台IO，就是通常我们所理解的CPU访问SSD盘内数据、写数据到SSD闪存颗粒等工作。
Background IO是什么？ #
但因为，SSD使用了相对HDD来说更加脆弱和敏感的NAND闪存颗粒，所以导致了SSD主控芯片不仅要处理数据的读写，还需要做一些额外的后台工作来保障SSD的正常工作。
一般来说，一款标准的企业级SSD，它所需要做的Background IO主要有以下几种：
- PLP电容自检
- BootLoader存放区域扫描
- 系统区域扫描（固件、坏块表存放区）
- 用户数据区域后台扫描
- 温度传感器采样
- Log日志定时写入NAND
- Read disturb数据搬移
- 后台GC垃圾回收
- 磨损均衡
平时没怎么总结还没发现，原来SSD固件在后台需要处理的任务这么多了，而且还有一些这里没有列出来的。
为什么需要Background IO？ #
PLP电容自检 #
正常情况下，拆开一块企业级SSD，基本都可以看到下图中这一块黑色的上面写着1000uF的电容，当然也可以是很多个并联的小电容组成。
这块电容在SSD中充当着不可或缺的角色，因为企业级对异常掉电后的数据恢复是刚需，因此需要这块电容存储电荷，在掉电时再继续让SSD工作一段时间，将仍留在DRAM中的重要数据及时写到NAND颗粒中，保证了异常掉电下的数据安全。
但是，只要是铝电解电容都会有一些缺点，那就是高温敏感、寿命短、漏电流大。因为铝电解电容内部基本是液态的电解质，当温度过高时，内部电解质会被加热导致挥发甚至是爆浆（有兴趣的读者，可以网上搜索“铝电解电容爆炸的各种姿势，还是挺有意思的”）。而且，如果长期在高温下使用，可能会造成电解质挥发至干涸，最终电容变成一具“干尸”。
当然，做SSD设计时就已经考虑到了铝电解电容的这些特征，因此做了冗余设计，保证电容能够持续工作5年以上。但，基于铝电解电容的这些特性，还是需要定时去检查一下有没有问题，防止电容失效而引起数据丢失灾难。一般每隔24小时检查一次，当然你也可以设置更长或更短时间间隔。
这就像，我们日常开的车，刹车片虽然不用每次保养都去更换，但每次保养都要去检查一下磨损程度。同样的道理。
BootLoader存放区域扫描 #
Bootloader的用途，做产品研发的同学应该是清楚的。它是一段非常精简的代码，用来引导整个固件或者系统代码的启动。
因此，它真的非常重要！
所以，BootLoader代码一般都不会存放在NAND颗粒中，而是在一颗很小的SPI Flash中，这个SPI Flash的可靠性要远高于NAND闪存颗粒。
但，即使这样，对于BootLoader存放区域的介质健康检查不可省略，谁叫它这么重要呢？至于扫描的时间间隔，每家公司设计不同，可自行决定。
就像，你在家里的密码箱存放了100斤黄金，就算它足够安全不会被偷，你也还是想每天晚上睡觉前打开柜子看看确保安全呢。
系统区域扫描（固件、坏块表存放区） #
系统区域，一般是指固件在NAND闪存内部开辟出来的多个高安全区域，这些区域的特点是，相比于其他区域，他们更加安全，更不容易出现bit error。
在这些最安全的系统区域，我们会用来存放固件代码和备份、坏块表等数据，因为固件代码和坏块表足够重要，所以会有很多的备份存放在多个不同的系统区域。
但是，最安全的系统区域，也只是相对安全，并非绝对安全。因此，对这些区域的扫描不可省略，一旦发现某些闪存块有问题，就要立马将数据搬到新的区域。至于扫描的时间间隔，一般是2-3周，或200-300个上下电循环，企业级一般是采用固定时间间隔很少采用上下电循环，消费类盘都可以。
用户数据区域后台扫描 #
用户数据区域，和刚刚说的系统区域，是一个相对的概念。
相对于系统区域，用户数据区域的数据安全性相对低一些，但也是相当重要的，毕竟用户就是上帝，上帝的数据绝不能丢。
但为什么需要定时去扫描用户的数据区域呢？因为所有的NAND闪存都有一个缺点，包括英特尔家的floating gate架构、或者其他家的charge trap架构，均存在电荷泄漏的问题。
意思是，当已经保存有数据的NAND闪存断电时，其cell内部的电子会逐渐逃逸出去，导致电荷泄漏，最终数据丢失。当然，不要过度恐慌，这是一个非常缓慢的过程。正常情况下，企业级SSD断电情况下，数据可以在40摄氏度温度下安全存放3个月，即使是生命末期。而消费类的SSD，则数据可以在30摄氏度的温度下安全存放1年的时间（所以，如果有好久没有用过且存有重要数据的SSD，要赶紧拿出来溜溜了，通上电跑一跑）。
它有个专业术语，叫数据保持-data retention。
因此，一旦我们的SSD掉电一段时间后，尤其是经历过高温的情况，之前保存的数据可能会陷入险境之中。这时候，一旦重新上电，SSD固件就要开始马不停蹄地去检查，哪些数据存在风险，要赶紧搬移到新的区域。
温度传感器采样 #
温度传感器采样，这个比较简单，因为很多情况下，系统需要获取到SSD内部的温度，来决定散热风速的转速。
因此，温度传感器的采用必不可少，一般都是每秒钟采样一次。
Log日志定时写入NAND #
都知道Windows/Linux操作系统有各种各样的log日志，来记录系统的状态和debug用途。SSD也是一样，它内部也运行了一套庞大的类似系统一样的复杂逻辑和运算，因此也会存在各种各样的Log日志来记录系统状态、错误信息等内容。
尤其是在SSD研发早期阶段，大量的debug工作非常依赖于系统log。同时，在如今的大型数据中心，越来越多的用户开始关注SSD Log，因为对于数据中心的运维来说，健全的Log可以大大提高debug效率。
但，因为很多时候，最新Log其实是存放在DRAM中的，因为这样可以更快去刷新。而DRAM是易失性存储，即掉电数据丢失，因此，系统Log日志，同样也是需要定期维护刷写到非易失性的NAND闪存中的。至于刷写的时间间隔，因需求而异，可以设置5分钟，也可以设置半小时。
Read Disturb数据搬移 #
Read Disturb，读干扰，也是NAND闪存的其中一个缺点。具体的原理呢，会比较复杂，一时半会很难说清楚，后续有时间单独开一篇来讲。
这里，只简单说一下读干扰所带来的结果。因为现代NAND制程的进度，密度增加，导致cell之间的距离越来越小。而读干扰的现象也越来越明显，即当我们读取某个页数据非常多次数时（可能是200万~1000万次），会对它周边的页造成干扰，而影响到周边页的数据，严重时会造成周边页数据无法读取。
因此，当我们选择一款NAND开发SSD时，NAND厂商的FAE会告诉我们，read disturb建议的次数时xx次。
当固件发现某个页被连续读取了xx次时，触发了read disturb阈值，此时就要将周边页的数据进行搬移，防止数据丢失。
后台GC垃圾回收 #
后台GC垃圾回收，这个已经不用说太多了吧。
因此NAND闪存本身的特性，最小写入单位是页，而擦除最小单位是块。因此随着数据不断写入，每个块上都会随机散布着各种数据，这时候如果有新的数据再写进来，则可能没有足够的空间，这时候就需要擦除旧的数据块，并搬移有效数据到新的块。
当经历过了长时间的随机写数据时，这部分GC的工作量是非常大的，而且非常影响这个SSD的性能。
磨损均衡 #
二八定律无处不在，又或者说，正态分布才是自然的常态。
经过不正经的调查，当没有任何认为干预时，我们随机性地往SSD中写入数据。
当我们写满全盘时，没有太大发现，但是当写了很多次全盘之后，就会发现。
NAND闪存中仅有20%的区域被写入了超过80%的数据，而另外80%的区域却并没有被写入太多数据。
这样会造成一个问题，因为NAND闪存都是有寿命的，而这种写入方法会造成20%的NAND闪存块很快被写完，寿命殆尽。而剩下80%的NAND闪存块却还可以用很久。
但这20%的闪存块的退役，会导致整个SSD系统无法正常工作，相当于一个本来完整的木桶，突然出现了一块短板，导致桶里的水大量流失。
因此，Wear Leveling磨损均衡才被需要，而且相当重要，因为它决定了你的木桶到底能装多少水！
最后 #
写到这里，我虽意犹未尽，但也累得腰酸背痛想要休息片刻。
不知各位读者看完，作何感想，能写SSD固件代码固然不难，但如果要做好固件真心不易。