无论是为了防止数据泄露，还是更改硬盘格式，我们通常会进行格式化操作。在Windows或Linux shell中对SSD进行格式化（format）时，往往需要几分钟甚至几十分钟，这个时间通常与硬盘容量成正比。那么在这段时间里，SSD到底做了些什么操作呢？

为更好地理解本文，这里需要介绍一些SSD的工作原理。熟悉NVMe协议的读者可跳过此部分。

· NVMe over PCIe数据传输原理

如图所示，主机和SSD控制器（下文统一称为“控制器”）通过队列对（Queue Pair）进行管理命令（Admin Command）和IO命令（I/O Command）的交互。主机将命令提交到发布队列（Submission Queue），控制器从发布队列中获取命令，执行完成后将命令完成消息提交到完成队列（Completion Queue），主机从完成队列获取命令完成消息，认为此命令执行完成。

· LBA格式

如上图所示，硬盘格式主要体现在三个方面：

1、Sector Size：图中LBA n Data区域，表示硬盘进行读写操作时的逻辑块大小（通常为512或4096字节）；

2、Metadata Size：表示主机允许携带的元数据大小以及Metadata的传输方式（如图所示，Extend Buffer传输和Separate Buffer传输）；

3、PI（Protection Information）：指是否有PI以及其在Metadata中的位置（在Metadata的起始字节还是末尾字节）。协议要求在1.0及以后的版本中，PI信息需放在Metadata的末尾字节。

在Linux下使用nvme list命令可以查看系统中的NVMe设备信息，其中红框标注的字段表示当前硬盘的LBA格式：（1）Sector Size = 512B，Metadata Size = 0，没有PI数据；

（2）Sector Size = 4096B，Metadata Size = 0，没有PI数据。

了解上述基础知识后，我们来具体看看控制器执行format时到底做了哪些操作。

1、命令参数的校验

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

（2）目标LBA格式：在命令中，目标格式以数组下标的形式提供给控制器，由LBAFU和LBAFL共同组成，指向特定的目标格式。

主机通过Identify命令从Namespace Identify数据结构中获取名字空间支持的目标格式。最多支持64种格式，根据命令中组成的数组索引，可以在该结构中找到目标格式规定的Sector Size和Metadata Size。

（3）PI信息：PI信息通过Metadata传输，因此支持PI信息的前提是支持Metadata。

2、停止IO调度

如下图所示的IO流程中，控制器在第3步时不再从发布队列中获取新的IO命令，但已经在控制器内存中的命令仍会继续执行。

3、将用户区数据全部落盘

IO数据经过主机内存和控制器内存这两个易失性存储后，才会写入非易失性存储NAND颗粒。在实际的固件应用中，控制器会先将主机下发的数据临时保存在控制器内存中，只有在满足一个PU（Program Unit）时，才会统一将数据刷新（FLUSH）到NAND颗粒中。在格式化时，如果主机下发的数据不满足一个PU，就需要补充虚拟数据（dummy）以达到一个PU的大小，然后再进行数据落盘。

4、下发全盘擦除命令，将所有用户数据擦除干净。

5、使用新的格式重新初始化相关硬件和数据结构。

6、根据新的format格式修改Namespace Identify数据结构，如NSZE、NCAP和格式索引等属性。

例如，当旧格式Sector Size为512字节，新格式为4096字节时，NSZE和NCAP描述的是以Sector Size为粒度的数量，因此需要将NSZE和NCAP分别除以8。

7、恢复IO调度，控制器将重新从命令发布队列中获取IO命令，并提交format结果到命令完成队列。

在主机端执行format操作如下：

首先，使用Identify命令查看支持的lbaf格式以及当前使用的格式。如下图所示，目前格式为Sector Size=4096，Metadata Size=0。

nvme list命令显示也符合上述描述：

接着，输入nvme format命令，指定nsid=1，格式索引为0（代表Sector Size=512，Metadata Size=0），切换成功后，日志（log）显示相应信息：

最后，再次使用Identify命令查看支持的lbaf格式及当前使用的格式，如下图所示，显示目前格式为Sector Size=512，Metadata Size=0：

通过使用Format NVM命令，可以在SSD所支持的不同格式之间切换，实现低级格式化的功能。由于格式化操作会擦除盘上原有的数据，因此在执行格式化之前，务必将所有的重要数据进行备份，以防数据丢失。

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