地址映射是FTL最原始最基本的功能

大家好，我是五月。

前言

FTL（Flash Translation Layer），即閃存轉(zhuǎn)換層，是各種存儲(chǔ)設(shè)備的核心算法，作用是將Host傳下來的邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址，也就是映射。

可以說，地址映射是FTL最原始最基本的功能。

 

為什么需要映射

NAND Flash最大的問題就是不能像內(nèi)存一樣隨意寫入。

根據(jù)Flash的特性能知道，寫入page之前需要先將所在的Block擦除。

按照這種準(zhǔn)則，市面上出現(xiàn)的Flash根本不能使用，其一，性能會(huì)很差，瓶頸限制在塊擦除上，其二，持續(xù)不斷對(duì)同一Block擦除，會(huì)導(dǎo)致Block在短時(shí)間內(nèi)磨損，很容易造成存儲(chǔ)數(shù)據(jù)丟失。

映射的觀念出來后，數(shù)據(jù)不會(huì)直愣愣的寫入原來的page頁(yè)/Block塊，而是重新映射到新的page頁(yè)/Block塊中，按照這個(gè)思路引導(dǎo)，F(xiàn)lash中所有的存儲(chǔ)空間都可以按照這種page/Block映射方式進(jìn)行管理。

用戶肉眼看到的，是連續(xù)的邏輯地址組成的空間，實(shí)際在Flash當(dāng)中，一段數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)很有可能是不連續(xù)的。

映射種類

首先要知道，映射種類有仨：

1. 塊映射
2. 頁(yè)映射
3. 混合映射（塊映射+頁(yè)映射）

塊映射

以Block為映射單位，一個(gè)邏輯塊可以映射到任何的物理塊上，所以塊內(nèi)每一頁(yè)的偏移不變。

還需要映射表來記錄邏輯塊和物理塊之間的映射關(guān)系。

優(yōu)點(diǎn)：因?yàn)橛成浔碇恍枰獕K的映射，所以映射表所占空間小。

缺點(diǎn)：性能差。如果用戶要操作一個(gè)邏輯頁(yè)的話，就需要把整個(gè)塊的數(shù)據(jù)讀取出來，再修改邏輯頁(yè)，再寫入flash當(dāng)中，所以小尺寸數(shù)據(jù)寫性能極差。

頁(yè)映射

以page為映射粒度，一個(gè)邏輯頁(yè)可以映射到任何的物理頁(yè)上，所以塊內(nèi)每一頁(yè)的偏移變化多端。

需要映射表來記錄每一邏輯頁(yè)與物理頁(yè)之間的映射關(guān)系。

優(yōu)點(diǎn)：用戶可隨時(shí)操作某一邏輯頁(yè)，直接將數(shù)據(jù)寫進(jìn)對(duì)應(yīng)物理頁(yè)，方便快捷，性能極好。

缺點(diǎn)：由于每一邏輯頁(yè)與物理頁(yè)都有一張映射表，并且頁(yè)的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比塊的數(shù)量多得多，所以映射表所占空間極大。

用個(gè)例子就很好理解了：

假設(shè)有個(gè)256G的Flash，page大小為4KB，那么一共就有64M（256G/4KB）個(gè)page，也就是說需要64M個(gè)映射表，假設(shè)每個(gè)映射表占用4個(gè)字節(jié)，那么整個(gè)映射表大小就為64M*4 = 256M。

一般來說，整個(gè)映射表的大小不宜超過Flash容量的千分之一。

混合映射

混合映射是塊映射和頁(yè)映射的混合產(chǎn)物，外面經(jīng)常說的Hybird level mapping就是說的它。

一個(gè)邏輯塊可以映射到任何的物理塊上，塊內(nèi)采用頁(yè)映射方式，塊內(nèi)邏輯頁(yè)可以映射到對(duì)應(yīng)物理塊內(nèi)任何物理頁(yè)上。

市面上大部分用的映射方式都是Hybird映射方式。

HyBird的映射操分為兩級(jí)：

第一級(jí)是data_log，數(shù)據(jù)以page的維度寫入log，這個(gè)log一般是SLC；

第一級(jí)是data_Block，當(dāng)data_log寫滿后，數(shù)據(jù)會(huì)合并到data_Block中。

data_log由于數(shù)量有限，可以采用頁(yè)映射的方式寫入數(shù)據(jù)，data_Block容量比較大，所以采用塊映射的方式寫入。

所以在性能和所占空間都介于塊映射和頁(yè)映射之間。

以下是不同映射之間的比較：

 

映射原理

Host是通過發(fā)送邏輯地址 LBA 來訪問Flash的，每一個(gè)LBA大小為 1Sec。

每一個(gè)Sec大小各有不同，有512B、4KB、8KB，業(yè)內(nèi)常稱為一包數(shù)據(jù)，大部分情況下都是512B。

因?yàn)镻C端操作磁盤的方式，都是以Sec的方式發(fā)送命令的，操作其他存儲(chǔ)設(shè)備比如U盤，SD卡也是一樣，不會(huì)改變。

寫過程

Flash是以page為單位進(jìn)行寫的，所以Host發(fā)送的 LAB+數(shù)據(jù)并不會(huì)立馬就寫進(jìn)入，而是會(huì)先在Dbuf緩存起來，直到湊成了1page的數(shù)據(jù)量，才會(huì)寫進(jìn)Flash中。

用戶每寫入1page數(shù)據(jù)，F(xiàn)TL會(huì)先去找映射，看看LBA有沒有對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系，如果沒有找到，就會(huì)找一個(gè)物理頁(yè)吧用戶數(shù)據(jù)寫入，同時(shí)新建一條映射。

那么，用戶邏輯地址和物理地址的一條映射就生成了。

每寫入一個(gè)邏輯頁(yè)，就會(huì)有一條映射表產(chǎn)生或者更新。

讀過程

用戶讀取某一個(gè)區(qū)域，發(fā)送LBA進(jìn)行訪問時(shí)，F(xiàn)TL就會(huì)先在映射表池里找呀找，找到與LBA對(duì)應(yīng)的映射表，F(xiàn)TL就知道要在Flash的哪個(gè)物理頁(yè)把數(shù)據(jù)讀出來了。

如果讀過程沒有找到映射表，那么讀取過程失敗。

映射表位置

DRAM

大多數(shù)存儲(chǔ)設(shè)備都有板載DRAM，映射表就能存儲(chǔ)在DRAM上

作用：可以快速訪問映射表，快速讀寫

缺點(diǎn)：隨著映射表越來越多，所占DRAM就會(huì)越來越大，提高了成本和功耗。

 

Flash

后來的主流是映射表大部分被存在于Flash中，當(dāng)下要用的小部分映射表存于DRAM中。

作用：降低成本和功耗，還可以避免掉電帶來的映射信息損失，另外Flash空間很大，映射表想放多少放多少。

Host發(fā)送LBA的時(shí)候，F(xiàn)TL會(huì)先在DRAM中尋找，如果沒有找到對(duì)應(yīng)的映射表，就會(huì)去Flash中讀取映射表，再根據(jù)映射關(guān)系操作對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)。

缺點(diǎn)：需要讀取兩次Flash，一次映射表，一次用戶數(shù)據(jù)，底層帶寬減小了，對(duì)于隨機(jī)操作來說，就顯得效率低了一點(diǎn)。

 

映射表更新

隨著映射表的增加、刪除、覆蓋，到了某個(gè)時(shí)刻就要把映射表寫進(jìn)Flash保存起來，避免掉電時(shí)發(fā)生大量映射表丟失。

時(shí)不時(shí)將映射表寫進(jìn)Flash，就算發(fā)生了突然的異常掉電，丟失的也只是小部分映關(guān)系，后面還能通過重建映射表恢復(fù)回來。

映射表的寫入時(shí)刻

1. 新生的映射表數(shù)量積累到一定的閾值
2. 用戶寫入的數(shù)據(jù)量積累到一定的閾值
3. 空閑閃存塊的剩余數(shù)量達(dá)到一定的閾值

寫入策略

1. 全部更新

將所有的映射表，無論是新產(chǎn)生的還是原先就有的，全部一股腦寫入Flash中。

優(yōu)點(diǎn)：固件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不用去考慮哪些映射表是新的，哪些是原本就有的。

缺點(diǎn)：寫入數(shù)據(jù)量多，影響性能和延時(shí)，還會(huì)增加寫入放大。

2. 增量更新

只把新產(chǎn)生的映射表寫入Flash中。

優(yōu)點(diǎn)：新增寫入的數(shù)據(jù)量少，性能好，時(shí)效高。

缺點(diǎn)：固件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，還得區(qū)分那么那么些是新增的映射表，哪些是被覆蓋的。

選擇哪種寫入決策，應(yīng)根據(jù)硬件架構(gòu)，結(jié)合實(shí)際情況考慮。

好了，這次先寫到這兒，祝各位生活愉快。