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Trim命令

此條目介紹的是電腦命令。關於Trim的其他意思，請見「特里姆」。

Trim命令（ATA命令集中稱為TRIM，SCSI命令集（英語：SCSI command）中稱為UNMAP），它使作業系統能通知固態硬碟（SSD）哪些資料塊已不再考慮使用，可以被內部擦除。[1]

Trim命令幾乎是與SSD同時推出的。這是因為SSD的底層操作方式與傳統機械硬碟有著顯著不同，若作業系統沿用傳統方法處理諸如刪除和格式化等操作，會導致SSD的寫入效能發生下降。[2]Trim（意為修整、修剪、裁剪）使SSD能更有效地完成垃圾收集的工作，而不用犧牲對儲存塊的寫入速度。[3]

儘管在引入Trim命令前，有些工具（比如「Reset」命令）已經可以將驅動器「重設」為空狀態，但這些操作會刪除驅動器上的所有資料，因而無法用於持續性最佳化。[4]許多SSD擁有廠商自己的後台垃圾收集機制，這些工具和Trim命令互相獨立，使不支援Trim命令的作業系統能完成與之類似的工作，卻依然存在寫入放大的現象，往往也會導致儲存塊壽命過早地衰減。[5]

快閃記憶體磁碟機特有的問題

因為許多檔案系統以標記資料塊為「未使用」來處理刪除操作，[6][7]而非真正「清空」資料，因此儲存媒介（傳統硬碟、SSD）通常不知道哪個磁區/頁是正在使用，哪些可被認作空閒空間，這與重寫（rewrite）操作不同，刪除操作不涉及對資料所在磁區/頁的物理寫入。SSD等儲存媒介通常不負責管理檔案系統（例如未使用的資料塊/磁區表），也無法獲知哪些資料塊/磁區已經可用。這使反刪除（英語：Undelete）工具能通過更底層的方法，從傳統的機械硬碟上恢復檔案，[8]因為儘管作業系統報告使用者檔案已被「刪除」，並騰出了儲存空間。但在儲存媒介上，檔案所在的磁區只有在下一次寫入時，舊資料才會被覆蓋，從儲存媒介的角度看，「刪除」操作更接近於「重寫」。對於機械磁碟來說，這與寫入空磁區沒有區別，但因為SSD最底層的一些特性，與將資料寫入空頁相比，重寫會有顯著的開銷，從而潛在地削弱寫入效能。[9]

SSD在快閃記憶體單元中通常以4-16kB為一組來儲存資料（稱之為頁），每128-512kB的頁組合成更大的一組（稱之為塊或資料塊）。舉例來說，某一品牌的SSD將4kB的資料組合成一頁，其資料塊大小是512kB，每一資料塊包含128個頁。NAND快閃記憶體單元只能在處於空狀態時寫入。如果它們包含資料，則執行寫操作前必須擦除其內容。SSD一次寫入最少一頁，但由於硬體限制，擦除資料時將會抹除整個資料塊；[10]因此將資料寫入到SSD上的空頁時非常快，而寫入已有資料的頁就會明顯變慢。這是因為頁被再次寫入前需要擦除資料，但SSD只能擦除一整個資料塊，隨後把資料塊中的其他資料以覆寫的方式（按「讀取、擦除、修改、寫入」的方式）完成；[11]整個塊的內容會先儲存在快取中，然後在SSD中擦除整個塊，再將覆寫的頁寫入到快取的塊，最後再將更新的塊寫入快閃記憶體媒介。這種現象也稱寫入放大。[12][13]

操作

TRIM命令使SSD可以從作業系統處得知哪一部分資料將永遠不會被訪問。對於刪除操作，作業系統會將整個資料塊標記為可用於新資料，然後向SSD傳送TRIM命令。SSD完成這一操作後，在新的資料寫入這一頁時，SSD將重新整理整個塊的資料，而不保留塊中其他頁原本的內容，從而緩解寫入放大現象（寫入次數更少），並提供更高的寫入吞吐量（不需要執行讀取、擦除、修改），還能顯著延長驅動器壽命。

不同的SSD實現的方式有所不同，因此效能可能也有所差異。

TRIM命令通知SSD從LBA(Logical Block Addressing)區域上標記為無效，從邏輯層上對該區域進行讀取將不會返回有效資料。從實體層面看，資料仍可能短時間駐留在快閃記憶體內部，SSD徹底完成垃圾回收的工作之後，恢復資料幾乎是不可能的；[14]這不同於機械硬碟中被刪除的資料可能被資料恢復。

實現

作業系統支援

Trim僅在支援它的作業系統上有效。下表列出了各個重要的作業系統支援該命令的首個版本。此外，在TRIM命令添加到ATA標準之前設計的舊款固態驅動器需要更新韌體（如果有）才能支援Trim，否則將忽略這個新命令。

作業系統 支援始自 備註
DragonFly BSD 2011-052011年5月[15]
FreeBSD 2010-078.1 - 2010年7月[16] 在8.1中的塊裝置層中添加了支援。檔案系統支援在FreeBSD 8.3和FreeBSD 9中添加，隨Unix檔案系統（UFS）而來。[17]ZFSTrim支援在FreeBSD 9.2中添加。[18][19]FreeBSD 10支援在軟體RAID上組態Trim。[20]
NetBSD 2012-102012年10月[21]
Linux 2008-12-252.6.28–2008年12月25日[22] 最初在2.6.28中添加了對FTL NAND快閃記憶體裝置的discard（丟棄）運算子的支援。對ATA TRIM命令的支援在2.6.33中添加。[23]

並非所有檔案系統都能使用trim。可以自動發出修剪請求的檔案系統有Ext4[24]、Btrfs[25]、FAT、GFS2（英語：GFS2）、JFS[26]和XFS。[27]但是由於效能問題，在受支援SSD上進行定期修剪預設情況下已被禁用[28]。[29]Ext3、NILFS2（英語：NILFS2）和OCFS2（英語：OCFS2）提供Ioctl來執行離線修剪。TRIM規範稱支援修剪特定範圍列表，但截至核心3.0，修剪僅能較慢地逐個呼叫單個範圍。[30]

MacOS 2011-06-2310.6.8–2011年6月23日[31] 儘管AHCI塊裝置驅動程式在10.6.6 (10J3210)中得到了顯示裝置是否支援TRIM操作的功能[32]，該功能本身仍不可用，直至10.6.8暴露通過IOStorageFamily執行TRIM操作，以及檔案系統（HFS+）的支援。[來源請求]直到10.10.4，Mac OS X只為蘋果品牌的SSD原生啟用TRIM；第三方實用程式可使其適用於其他品牌。舊的第三方TRIM驅動程式在Yosemite更新時已停止工作。[33] 現已有更新的適用於OS X Yosemite的驅動程式。[34][35] 在Mac OS X更新10.10.4（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）中，蘋果公司添加了一個命令列使用工具trimforce，它可以用於為第三方SSD啟用TRIM。[36]
Microsoft Windows 2009-10Windows 7和Windows Server 2008 R2 - 2009年10月[37][38] Windows 7最初支援的TRIM僅適用於包括ATA和SATA的AT Attachment系列中的驅動器，並不對任何其他包括Storport PCI-Express SSD裝置支援此命令，即使即使裝置本身將接受該命令。[39]已確認Windows 7上AHCI和舊有IDE/ATA模式下的原生微軟碟機動支援TRIM命令。[40]Windows 8及之後版本的Windows作業系統支援基於NVMe的PCI Express SSD的trim，以及來自SATA的TRIM命令完全類比的unmap命令，用於使用SCSI驅動程式堆疊的裝置。微軟已為Windows 7發布一個KB2990941（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）更新，這在使用DISM整合到Windows 7安裝程式時增加NVM Express的支援，包括對PCIe SSD裝置的TRIM。
OpenSolaris 2010-072010年7月[41]
Android 2013-74.3[42] - 24 July 2013[43] 每24小時自動執行fstrim，僅在裝置已空閒至少1小時並且電量80%（如果已連接充電器則30%）時執行。[42]

RAID問題

截至2017年1月 (2017-01)，大多數基於硬體的RAID技術未實現TRIM命令的支援。但是，軟體實現的RAID通常提供了TRIM支援。

Windows：

Windows 10為SSD RAID卷在組態一個RAID卷時通過「最佳化驅動器」選項提供了TRIM支援。

Mac OS：

macOS RAID驅動程式不支援TRIM。自Mac OS X 10.7至macOS 10.12.x的所有版本均是如此。

對於使用第三方SoftRAID®應用程式的RAID（0,1,4,5和10）卷支援TRIM，包括使用非蘋果品牌SSD裝置的TRIM支援。 （註：非蘋果品牌的SSD裝置必須使用終端命令「sudo trimforce enable」來啟動TRIM）

Linux：

2011年1月以後的Linux核心中dmraid（英語：Device mapper）的發布版本已實現BIOS輔助的「假硬體RAID」支援，並且現在通行來自RAID陣列上的檔案系統的任何TRIM請求。[44]


不同於dmraid，Linux的常規目的軟體RAID系統mdraid（英語：Mdadm）有實驗性的基於批次處理（而不是在檔案刪除時即時）的TRIM，當系統組態為定期在RAID 1陣列上的檔案系統上執行mdtrim實用工具（包括ext3等沒有原生TRIM支援的檔案系統）。[45]在Linux的稍晚版本（例如Red Hat Enterprise Linux 6.5和beyond）中 mdraid支援即時、實際傳遞TRIM命令，而不是作為一個批次處理作業。[46]

但請注意，紅帽公司建議不要在大多數RAID技術的SSD上使用軟體RAID 1、4、5和6，因為大多數RAID管理實用工具（例如Linux的mdadm）在初始化期間會在裝置上寫入所有塊以確保校驗和（或RAID 1/10情況下的驅動器到驅動器驗證）運作正常，而這導致SSD認為除備用區域以外的所有塊都在使用中，從而顯著降低效能。[47]

另一方面，Red Hat推薦在SSD上為LVM RAID使用RAID 1或RAID 10，因為這些級別支援TRIM（在Linux術語中稱為"discard"），並且LVM實用工具在建立時不會寫入所有塊到RAID 1或RAID 10卷。

在2010年3月的一小段時間內，使用者被誤導相信英特爾快速儲存技術（RST）9.6驅動程式支援RAID卷上的TRIM，但後來英特爾澄清說，TRIM支援AHCI模式和RAID模式的BIOS設定，但不支援RAID卷的驅動器。[48]

截至2012年8月，英特爾確認，使用快速儲存技術（RST）11.2驅動程式的7系列晶片組支援微軟Windows 7中的RAID 0的TRIM。[49]雖然英特爾沒有確認支援6系列晶片組，RAID 0卷上的TRIM已展示為在Z68、P67和X79晶片組上可用，通過由硬體發燒友修改的RAID選項ROM（英語：Option ROM）。[50]據推測，缺乏對6系列晶片組的官方支援是由於驗證成本[51]或企圖鼓勵消費者升級[52]，而不是出於技術原因。

在使用X79晶片組的主機板上需要修改選項ROM的例外是製造商添加了ROM開關；這需要RST和RST-E ROM存在於BIOS/UEFI內。這允許使用RST ROM而不是RST-E ROM，從而允許TRIM工作。[53]英特爾指出，使用與ROM版本相同的驅動程式可以實現最佳效能。例如，如果BIOS/UEFI具有11.0.0.0m選項ROM，則應使用11.x版本的驅動程式。[54]

為不支援的作業系統使用

在使用不支援自動TRIM的檔案系統時，某些實用工具可以手動傳送Trim命令。通常它們將確定哪些塊為空閒，然後將該列表以一系列的Trim命令傳遞給驅動器。這些實用程式可從各製造商（例如Intel、[55]G.Skill[56]）或作為一般實用程式（例如Linux的hdparm（英語：hdparm）自v9.17起，[57][58]或者如上所述的mdtrim）。

硬體支援

ATA

TRIM命令規範[59]已被標準化為AT Attachment介面標準的一部分，由國際資訊科技標準委員會（英語：International Committee for Information Technology Standards）（INCITS）的技術委員會T13所領導。[60] TRIM根據DATA SET MANAGEMENT（資料集管理）命令（操作碼06h）實現，ACS-2規範草案。[61]ATA標準被並列（IDE、PATA）和序列埠（SATA）ATA硬體所支援。

原版ATA TRIM命令的缺點是它被定義為不可排隊命令，因此不能輕鬆地與正常的、排隊的讀和寫操作混合。SATA 3.1引入了一個排隊的TRIM命令來糾正這一點。[62]

ATA IDENTIFY DEVICE命令返回的SATA Words 69和169定義了不同類型的TRIM。

  • 非確定性TRIM：TRIM後每個對邏輯區塊位址（LBA）的讀取命令可能返回不同的資料。
  • 確定性TRIM（DRAT）：TRIM後對LBA的所有讀取命令都返回相同的資料，或者變為確定的。
  • TRIM（RZAT）後確定性讀零：TRIM後對LBA的所有讀取命令都將返回零。

在SATA字105中有額外資訊，描述驅動器可以在每個資料集管理命令（DATA SET MANAGEMENT）支援最多多少個512位元組的資料塊。通常此值預設為8（或4kB），但許多驅動器將其減少到1，以滿足微軟Windows硬體要求對TRIM的部分——該命令完成時間不應超過20 ms或者8 ms × （LBA範圍項的數量），且兩者中的較大者應始終小於600 ms。[63]

各LBA範圍被稱為一個LBA範圍條目，並由八個位元組表示。 LBA由LBA範圍條目的前6個位元組表示，範圍長度是由剩下兩個位元組表示的一個從零開始的計數器。如果兩個位元組組成的範圍長度為零，那麼LBA範圍條目應視作填充而丟棄。[64]這意味著以512位元組為TRIM塊範圍支援的裝置，該最大值為64個32 MB，也就是2 GB。如果裝置在SATA字105處設為8，則它應該能在單個TRIM（資料集管理）命令中修整16GB。

SCSI

SCSI提供了UNMAP命令（TRIM的完全類比），以及帶有UNMAP標誌集的WRITE SAME命令（10和16個變數）。[65]

SD/MMC

多媒體記憶卡和SD ERASE（CMD38）命令提供了與ATA TRIM命令類似的功能，但它要求擦除的塊用0或1重寫。eMMC 4.5進一步定義了一個「discard」（丟棄）子操作，從而更緊密的配合ATA TRIM，因為丟棄的塊的內容可以被認為是不確定的（即「不在乎」的）。

缺點

  • 在使用加密時，TRIM命令的相關資訊將揭露哪些塊正在使用，哪些沒有。[66]
  • TRIM命令的原始版本已被T13小組委員會（英語：T13 subcommittee）定義為非排隊命令，因此執行不當可能造成大量的錯誤執行。例如，如果它在作業系統的每個刪除命令後發出，該命令的非排隊性質將要求驅動程式先等待所有未完成的命令完成，然後發出TRIM命令，最後再繼續正常命令。TRIM可能需要很長時間才能完成，這取決於SSD中的韌體，並還可能觸發垃圾收集周期。[來源請求]這種缺陷可以用定期執行批次TRIM的解決方案來最小化，而不是在每次檔案刪除時執行修剪，批次處理任務可以在系統利用率最小時排程。這項TRIM缺點已在Serial ATA修訂3.1中解決，其中引入了排隊的TRIM命令。[67][68]
  • 排隊的TRIM命令已在多款裝置中涉及嚴重的資料損壞，最顯著的是Micron的M500、[69]Crucial的M500、以及Samsung 8**系列。[70]在2015年7月1日，Linux作業系統在這些裝置上的資料損壞已得到確認。[71]

這些裝置已被列入Linux核心中libata-core.c的黑名單，從而強制傳送非排隊的TRIM命令到這些裝置，而不是排隊的TRIM命令：[72]

  • Micron M500，所有韌體版本（僅MU07之前有此問題，但Linux尚未跟進）
  • Crucial M500，所有韌體版本，包括工廠重新認證的SSD（僅MU07之前有此問題，但Linux尚未跟進）
  • Micron M510，韌體版本MU01
  • Micron M550，韌體版本MU01
  • Crucial M550，韌體版本MU01
  • Crucial MX100，韌體版本MU01
  • 三星SSD 8**系列，所有韌體版本

此檔案也已將SuperSSpeed S238列入常規TRIM的黑名單，因為發出TRIM會導致錯誤的塊遺失資料。[72][73]

libata-core.c還有一個列出子系統維護者已確認正確實現DRAT和RZAT標誌（flags）的SSD，這不同於許多忽略它們的驅動器。白名單中的裝置如下：

  • Crucial多款SSD
  • Intel多款SSD（不包括Intel SSD 510）
  • Micron多款SSD
  • 三星多款SSD
  • 希捷多款SSD[74]

參見

參考資料

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外部連結

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