Nand Flash管理算法介绍之主要模块介绍

本文把FTL管理划分为5个相对独立的模块，FTL的实现的过程中，可以根据需求进行组合。

Data Organization：

本模块主要是管理Flash空块的分配和组织。

在FTL管理中，Flash一般划分为两个部分：元数据区域(meta-data)、数据区域（data）。元数据区域用于FTL的表格管理，和提供冗余块(over-provision)。数据区，存放Host发的逻辑数据。

在数据区域，FTL还会对Flash划分为一个个物理空间集合，比如说，按Nand Flash页大小(4KB、8KB、16KB)或者按块大小(256KB、512KB、1MB)进行划分。算法页会对整个逻辑区间划分为一个个逻辑片段进行管理，和Nand Flash物理空间集合一一对应。一个逻辑片段大小为16KB，对应一个Nand 16KB的物理位置。如下图，Nand Flash集合可能来自不同块、页、或者不同LUN、DIE、Channel。

Data Mapping:

本模块主要是负责逻辑空块到物理空块的映射。FTL映射均是使用键-值的方式对映射进行管理，把逻辑片段按顺序排号当做键，对应的Nand位置为值。

当前主流的FTL，数据映射方案大致有三种：页映射方式，块映射方式，混合映射方式。

1. 页管理算法：以Nand页大小对整个逻辑区间进行划分，划分为很多个页大小的逻辑片段，对应着一个个Nand物理页。优点：映射灵活，随机性能较其它两种映射方案好。缺点：映射关系对Ram需求大，Ram中一般不能全部缓存所有映射关系，所以需要把大部分逻辑映射关系存到Flash中。更新映射效率低，管理复杂。如果把页映射管理的逻辑片段变得更小，比如说4K、8K，当前主流高性能设备很多都采用这种方式，和文件系统最小操作单位对应。

2. 块管理算法：以Nand块大小对整个逻辑区间进行划分，划分为很多个块大小的逻辑片段，对应着一个个Nand物理块。优点：映射关系简单，管理简单。缺点：回收效率低，满满的都是缺点。

3. 混合管理算法：把Nand数据区域划分为两种类型，Log块和Data块，数据更新先写到Log块上，然后通过Merge、Switch方式转换为Data块。Log块使用页管理，Data块使用块管理。优点缺点是上述两种的折中。

没有哪种映射方案是最优的，随机存取的话，页管理算法比较好，顺序存取，块管理算法会好。不过从应用上来说，写入的方式多种多样，页管理算法适应性是最好的。不过，高性能的设备，绝大部分使用页管理算法(4K、8K等扇区管理算法)。

Data Clustering：

主要用于把Host写下来的数据进行分类，存放于不同的物理位置中。

主要有以下几种类型：

1. 区分原数据和新写入的数据写入的位置，新、原数据写到不同的地方（新数据写到Log块，原数据保存在Data块）。--PS:此为最基本的方式。

2. 根据写入数据长度，划分为顺序数据和随机数据。顺序数据可以采用块映射管理，而随机数据可以使用页映射进行管理，从而提高性能。

3. 根据存取的频率，划分为热数据和冷数据。热数据更新频繁，产生很多的无效页，因此和冷数据区分开的话，可以减少垃圾回收损耗。

Data Recycling:

当空闲页或者当前符合触发条件，那么FTL就会执行数据回收，也称为Garbage Collection。

数据回收触发条件主要有2种：

1. 静态回收：当空闲页数据少于阈值，那么触发回收。回收阈值不好选定，设置太高，那么会频率进行数据回收；设置较低的话，数据回收不及时。

2. 动态回收：触发数据回收的条件是根据当前的工作负荷等因素动态调整的。

数据回收块的选择方案：

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Data Space Management:

此模块主要是管理空闲块队列的使用，大概有以下方式：

1. FIFO原则（先进先出）

2. 取一个擦除次数最小的块

3. 根据要存的数据类型（冷数据、热数据）去选择不同擦除次数的块