《深入浅出SSD》读书笔记——FTL主要业务

FTL为SSD内部控制器的固件，主要包含3个部分，前端支持主机端的SATA NVMe等协议，中端负责闪存块的管理，为适应主机端的需求和闪存的特性实现的一系列映射管理，垃圾回收，磨损平衡等功能，后端负责实现控制闪存的时序和部分ECC校验。以下结合书籍内容，对各块做一个简单介绍。

0 闪存特性

FTL的存在的主要原因之一是因为闪存有着与硬盘截然不同的特性，大部分FTL的功能都是为了适应闪存的特性而存在。
（1）闪存的块不能覆盖写，需要先擦除再写入。即不能在原地修改。故而写入的一部分数据失效后，不能重新利用，而是必须要把块上有效的数据统一挪到其他地方去之后，将当前的块整个擦除，才能重新使用这块空间，故而涉及到必须要有 垃圾回收 的概念。而这里又涉及到下面的第二个点，即擦写寿命的问题。
（2）闪存块有一定的寿命，不同的闪存结构 SLC,MLC,TLC有着不同的擦写次数的寿命，到达寿命后，擦写会提示失败，我个人理解为是绝缘层老化了。所以又需要做 磨损平衡 来保证最大写入。（p.s. 这里我并不太理解为什么部分块坏了，会对其他的块也产生影响）
（3）闪存块会存在读干扰的问题，可以理解为每次读会对块造成一定的损伤，如果读到一定次数，就可能出现比特翻转。故而需要在读到一定阈值时，把数据从闪存块搬走。擦除后可以理解为损伤又被重置。这涉及到 RD 的处理
（4）闪存存在电荷流失问题，闪存中的电荷在天然情况下会游离绝缘层，故而需要定期的处理，即 针对 DR 的处理
（5）闪存天生就有坏块，同时在使用过程中，随着寿命的增长，也会出现新的坏块，这就涉及到 坏块管理
（6） MLC和TLC类型的闪存存在 lower page corruption的问题，即其他page写入时的掉电，会导致lower page上的数据也一并的丢失。这就涉及到需要做掉电保护。当然这只是掉电保护的一个场景，还有其他场景也需要掉电保护。

1 映射管理

映射管理是指将主机端的逻辑地址与闪存块上的地址进行映射。

1.1 映射种类

根据映射颗粒度的不同，可以分为以下3种映射

• 块映射
  • 以闪存的块为映射粒度，每个逻辑块可以映射到任意一个闪存物理块，块内的每个页的偏离保持不变。
  • 缺点为随机写入性能较差，如果要写一个页，就要把一个块都读出来，修改对应页，然后把整个块重新写入。
• 页映射
  • 以闪存的页为映射粒度，逻辑页可以映射到任意一个物理页中。
  • 缺点是需要更多空间来存储映射表
  • SSD主流的映射方式
• 混合映射
  • 一个逻辑块，映射到一个物理块。但是块内的映射采用页映射的方式。逻辑块中的任意页可以映射到物理块中的任意页。

1.2 映射的基本原理

上述三种映射方式，都会形成一个映射表，如果以表的相对位置代表逻辑地址，对应位置的值即为物理地址。以256GB的SSD为例，如果每个逻辑页为4KB，则有64M个逻辑页，即64M条映射记录，每条记录代表的物理地址有4个字节，就是需要256MB的映射表。

映射表的设计实现，常见的存在带DRAM和DRAM-Less两种设计。带DRAM，即映射表整个存在DRAM中，查询映射表后就可以访问闪存（但其实也是需要保存到flash的）。DRAM-Less的设计，则必然会有映射表是存储在Flash中的，一种可能的设计提高效率的方式是 采用二级映射，一级映射将闪存分成段，存储在SRAM中，二级映射仅缓存部分内容到SRAM中，只有在访问的逻辑地址的映射记录不在SRAM中时，需要加载读取FLASH中的完整映射表。

还有一种设计是把映射表存储在主机的内存中，NVMe1.2及后续协议及支持该点，称为HMB,host manage buffer。

针对用户的读操作，根据映射表查找到对应的物理地址，将数据从物理地址上读出来即可。
针对用户的写操作，如果是该逻辑地址的首次写，则寻找到空闲的物理地址，写入数据后增加映射关系即可。如果是该逻辑地址的修改写，因为不能覆盖写，则在找到原先的映射关系后，寻找到新的空闲块，重新调整映射关系，并将原来的物理块标记为垃圾数据。

1.3 映射表刷新到闪存

映射表在SSD掉电前，需要写入到闪存中。下次上电时，需要从闪存加载到缓存。
每次写入缓存中的映射表都会增加新的映射关系。
写入区分时机和策略

• 时机
  • 新产生的映射关系积累到一定的阈值
  • 用户写入的数据量达到一定的阈值
  • 闪存写完闪存块的数量达到一定的阈值。
• 策略
  • 全部更新
  • 增量更新，只刷新不干净的映射关系。

2 垃圾回收

垃圾回收中比较重要的概念是WA (write amplifier写放大)和 OP(Over provisioning预留空间)

2.1 垃圾回收的原理

SSD的容量除了会有一部分用于映射表以外，还有一部分容量用于OP空间。OP空间是用户在写满标称的SSD容量后，删除文件后覆盖写，会写入的空间。在不考虑后续介绍的TRIM的情况下，覆盖写操作只能是将原来的映射地址置为失效，将映射地址修改为当前新的映射地址。

如果没有OP空间，把除了映射表以外的所有SSD空间都透给用户，在空间真正用满的时候。因为SSD只能以块为单位来擦除，所以如果不是一个块上的所有页都已经是无效页，这个块是不能被擦除的。就没有地方可以作为缓冲，因为当前的块还不能被擦除，但是又新需要写入新的页，因为已经没有可用块，就无法再写入了，所以OP空间是必须要存在的，但是存在多大的OP空间，又是一个设计上需要考虑的点。

一般而言，写满整个SSD的流程如下：

1. 首先SSD正常执行写入，写入时会把逻辑页写入到不同通道的DIE上，增加底层的并行性，提升写入性能。

2. 如果考虑极端情况只写入不擦除，那么用户就会写满整个SSD容量空间。

3. 写满之后用户删除部分文件，然后继续写入。这时就会把数据写入到OP空间，逻辑页的数据更新到新的地址，之前逻辑页地址对应的物理页上的数据变成了垃圾数据。

4. 在写满整个OP空间，剩余空闲块降低到一定阈值的时候，垃圾回收流程就会触发。

垃圾回收的目标是回收仅有垃圾数据的物理页的空间。核心流程是把闪存块上的有效数据读出来，重新写入新的地址，然后把原闪存块擦除，得到新的可用的空白块。
最简单的回收策略，就是挑选垃圾最多的闪存块进行回收，这样需要搬移的有效数据最少。
针对多通道并行写入的场景，每个通道都需要有一个闪存块，故而需要选择 各个DIE上块号一样的闪存块做垃圾回收。

2.2 写放大

因为GC的存在，在满盘情况下写入数据——》触发GC——》触发额外的数据搬移和擦除——》故而SSD往闪存中写的数据量比 实际用户想要写入SSD的数据更多。
故而引入了写放大的概念，WA，Write Amplification。

写放大 = 写入闪存的数据量 / 用户写的数据量

空盘的写放大为1，如果有实时数据压缩模块，WA会小于1。

OP越大 up 写放大 down 有效数据 down

OP比例 = (闪存空间 - 用户空间) / 用户空间

会影响写放大的因素主要包括 1.OP空间；2.用户写入数据的模式；3.GC策略；4.磨损平衡；5.读干扰；（4，5 均涉及到数据搬移操作，造成写放大，不仅仅是GC）6.主控（压缩策略）;7.TRIM（后续介绍）

2.3 垃圾回收的实现

垃圾回收的实现主要包含以下三个环节，

1. 挑选源闪存块。
2. 从源闪存块中找到有效数据。
3. 把有效数据写入到目标闪存块。

2.3.1 挑选源闪存块

称为BPA算法。
常见算法1 为挑选有效数据最小的闪存块（贪心算法），为了寻找和判断，就需要维护每个用户闪存块的有效数据量。当新的数据写入块时，有效记录+1，如果逻辑地址曾经写入过，找到之前所在的块，有效数据-1。

常见算法2 除了考虑有效数据量，还考虑闪存块的擦写次数（暗含磨损平衡算法）给擦写次数和有效数据设定权重因子，缺点是可能导致进一步的写放大。

2.3.2 把数据从源闪存块中读出来

存在两种方式，只读有效数据或者是全部读取。

方法1，只读有效数据：这就需要知道哪些数据是有效的，固件需要维护一个bitmap表，标识闪存块中哪个物理页是有效的。后续在写入逻辑页时，要把原来闪存块上的数据有效位清零。

方法2，读取全部数据：这样可以不维护一个有效位bitmap表。但是全部读出来之后，还是需要知道哪些数据是有效的，是需要重写的。否则全部写到其他的块上，起不到回收垃圾的作用。判断数据是否有效可以通过读取元数据来实现。

元数据是 SSD在把用户数据写入到闪存时，会额外打包的元数据，包括对应的逻辑地址，数据长度，时间戳。

物理地址	元数据	用户数据
Pa1	LogicalAddr1, TimeStamp1	UserData1
Pa2	LogicalAddr2, TimeStamp2	UserData2

在读取数据时——》读取元数据，获取LPA——》查找映射表——》得到逻辑地址对应的当前物理地址PPA——》判断与当前闪存块的物理地址是否一致，不一致则无效。

通过该种方式判断页是否有效的缺点是不管数据是否有效，都需要读出来才能确认，而且还需要读映射表，开销较大。好处是实现简单，不需要维护额外的闪存块有效页bitmap。

方法3，折衷方法，在闪存块的某个地方单独维护一个 P2L表，即physical to logical 表。在准备回收这个块时，就加载这个存储的P2L表，这样就可以快速得到这个块的P2L，即块上任意物理地址对应的LPA。再通过LPA查找映射表判断数据页的有效性，后段流程和上述方法2的后段流程一致。主要是省去了需要读取整个块上所有页，读取其元数据获取LBA的过程。

2.3.3 把有效数据写入到目标闪存块

该流程即是将有效数据按序写入到新的闪存块中。

2.4 垃圾回收的时机

何时触发做垃圾回收呢？。有三种常见的策略。

策略1：可用块小于一定阈值，执行Foreground GC前台垃圾回收。这个是属于被动触发。
策略2：Background GC后台垃圾回收，空闲时主动做GC。
策略3：host GC，支持主机控制SSD做GC。

HMS （Host managed SSD）让SSD在主机空闲时才做垃圾回收，避免因为SSD内部的后台任务的执行，影响响应主机端服务的性能。因为SSD内部有后台任务，包括垃圾回收，记录运行日志等等，如果在这些后台任务执行时，host发送请求，就会影响SSD的时延表现。

3 优化和异常处理。

映射管理和垃圾回收个人理解为FTL的最核心的业务，实现了FTL最基本的功能。FTL还有其他很多功能，包括 TRIM，磨损平衡，坏块管理，RD & DR，SLC cache，掉电恢复。

个人理解主要就是围绕flash的特性和上述映射管理和垃圾回收的流程，进行的性能优化，寿命优化，以及围绕flash特性的异常处理。这些我们在另一篇读书笔记中做介绍。

参考

《深入浅出SSD》