SSD FTL之zone的扩展

1.1编写目的

   对FTL模拟器的学习做一些总结，以及对FTL模拟器zone扩展方案的设计说明和实现方式的讲解，供大家参考指正。

1.2背景

   1.2.1 页映射机制

         在采用页级别的FTL机制中，请求的逻辑页面可以被映射到闪存空 间中的任何物理页面，因此，这种机制非常灵活，而且具有很高的闪存页面利用率。图[FTL-page-mapping]给出了页级别映射示意图，为了简化问题描述，这里省略了块号，实际上，当每个块中所包含的页数确定以后，可以很容易根据页号计算出块号，比如，如果每个块包含4个页，那么，逻辑页0,1,2,3就在第0块中，逻辑页4,5,6,7就在第2块中，逻辑页i 就在第i/4块中，其中，i 表示页号，i/4表示整除操作。从图中可以看出，对于一个逻辑页i（即逻辑页号LPN为i）而言，可以在页映射表中找到与该页对应的映射条目，映射条目<逻辑页号i,逻辑页号k>就表示逻辑页i 被映射到物理页k上。

                                

1.2.2 FTL模拟器映射表

 

   FTL模拟器中模拟的是对256G的FLSH进行操作，这样对应的映射表会达到64M，映射表太大无法直接放入RAM空间中，因此有添加了一级映射表用来索引64M的二级映射表，二对64M映射表空间的一级映射表只需16K的容量，可以存入Ram中。其中二级映射表映射闪存物理页，一级映射表映射二级映射表所在的flash的物理页，示意图如下所示：

                                                         

 

                                                                      1.2 一级映射表和二级映射表示意图

2 FTL模拟器zone的设计与扩展

2.1 zone的原始设计

      在读写操作等过程中，RAM会频繁的从FLASH中读取和更新二级映射表，为了减少这种直接基于flash的操作，对flash造成磨损，FTL模拟器会在RAM中开辟64k的内存，分为四个zone，每个16K，并将64M的二级映射表按逻辑页顺序分割成了256个zone number。RAM中会存取其中四个zone number的数据，当一个新的LPA请求下来，如果可以命中当前四个zone，则可以直接读取操作，如果没有命中，则需要将当前最久没用到的zone号写到FLASH，然后load新的zone进来。原始设计的动作示意图如图所示：

                                                           

                                                                              2-1加入了zone的设计的映射表

2.2  zone的扩展

  2.2.1  zone的扩展

   由2.1节可知，对FLASH操作次数的多少取决于对zone的命中率，为了提高zone的命中率，将上面4个zone拆分成16个zone，其中每个zone为4k大小，zone内在FALSH中的二级映射表是连续的，但zone之间的不连续的，如图2-2所示，RAM中16个方格代表16个zone，FLASH中映射表的16个不连续的方格代表匹配RAM中的16个zone number，由图可见这样RAM中的zone对FLASH中二级映射表的命中率就会大大增加，这样就会减少FLASH的磨损次数，延长FLASH的寿命。

                                                             

                                                                                   2-2 zone扩展后的示意图

2.2.2 zone扩展后的影响

       由上图可知，将zone有四个扩展为16个之后，zone的容量减小的四倍，相应的zone的number将会扩大四倍，一级映射表将会扩大四倍。并且出现zone的切换时，要将四个最久没用到的4个zone合并成一个页写下去，此时一级映射表必须增加一个zone偏移来查找当前zone到底在哪个页的哪偏移，从FLASH中load新的zone进来，也需读出当前zone所在的页，通过偏移找出当前zone所在的位置，更新进RAM中。相应的每个page的oob信息也需要从原来的记录一个zone_num改为记录四个zone_num,这些影响势必会对FTL模拟器的变量，结构造成重大影响，需要进行改变和重构。

3 zone切换模块的更改

3.1  zone 切换的改动

   3.1.1 原始设计

原始设计首先找出最久没使用的zone，将其写到flash中

                                             

  然后再将FLASH中的目标zoneload进内存，将使用次数time至为0.

                                  

3.1.2 zone扩展后的设计

 

      做zone切换时首先判断当前的zone号在ram中的16个zone里是否存在，如果存在直接获取，如果不存在，判断最久没使用（time最大）的zone的status是否为0，若为0则当前zone为空，直接load进去，若为1 ，则需要找出time最带的四个取出合并成一个页写下去如下图所示：

                                                       

 将FLASH中的zone load进RAM，找出目标zone所在的页读出，根据偏移找到目标zone在这个页的位置将其写进去：