SSD 核心技术：FTL（2）映射管理

映射种类

根据映射粒度的不同，FTL 映射有基于块的映射，有基于页的映射，还有混合映射（Hybrid Mapping）。

块映射

块映射中，以闪存的块为映射粒度，一个用户逻辑块可以映射到任意一个闪存物理块，但是映射前后，每个页在块中的偏移保持不变。由于映射表只需存储块的映射，因此存储映射表所需空间小，但其性能差，尤其是小尺寸数据的写入性能，用户即使只写入一个逻辑页，也需要把整个物理块数据先读出来，然后改变那个逻辑页的数据，最后再整个块写入。块映射有好的连续大尺寸的读写性能，但小尺寸数据的写性能是非常糟糕的。

如上图所示，用户空间被划分成一个个逻辑区域（Region），每个区域和闪存块大小相同。
U盘一般都是采用块映射（U盘使用的存储介质也是闪存，因此也是有FTL的），适合大数据的传输，不适合小尺寸数据的写入。

页映射

页映射中，以闪存的页为映射粒度，一个逻辑页可以映射到任意一个物理页中，因此每一个页都有一个对应的映射关系，如图4-4所示。由于闪存页远比闪存块多，因此需要更多的空间来存储映射表。但它的性能更好，尤其体现在随机写上面。为追求性能，SSD一般都采用页映射。

如上图所示，用户空间被划分成一个个的逻辑区域，每个区域和闪存页大小相同。
实际中逻辑区域大小可能小于闪存页大小，一个闪存页可容纳若干个逻辑区域数据。

混合映射

混合映射是块映射和页映射的结合，
一个逻辑块映射到任意一个物理块，但在块中，每个页的偏移并不是固定不动的，块内采用页映射的方式，一个逻辑块中的逻辑页可以映射到对应物理块中的任意页。因此，它的映射表所需空间以及性能都是介于块映射和页映射之间的。

如上图所示，用户空间划分成一个一个逻辑区域，逻辑区域和闪存块大小相同。每个逻辑块对应着一个闪存块，但逻辑块内部又分成一个个逻辑页，与对应闪存块中的闪存页随意对应。
现在SSD基本都是采用页映射方式。

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映射基本原理

户通过LBA（Logical Block Address，逻辑块地址）访问SSD，每个LBA代表着一个逻辑块（大小一般为512B/4KB/8KB……），我们把用户访问SSD的基本单元称为逻辑页（Logical Page）。而在SSD内部，SSD主控是以闪存页为基本单元读写闪存的，我们称闪存页为物理页（Physical Page）。用户每写入一个数据页，SSD主控就会找一个物理页把用户数据写入，SSD内部同时记录了这样一条映射（Map）。有了这样一个映射关系后，下次用户需要读某个逻辑页时，SSD就知道从闪存的哪个位置把数据读取上来，如下图所示：

SSD内部维护了一张逻辑页到物理页地址转换的映射表（Map Table）。用户每写入一个逻辑页，就会产生一个新的映射关系，这个映射关系会加入（第一次写）或者更改（覆盖写）映射表。当读取某个逻辑页时，SSD首先查找映射表中该逻辑页对应的物理页，然后再访问闪存读取相应的用户数据。
由于闪存页和逻辑页大小不同，一般前者大于后者，所以实际上不会是一个逻辑页对应一个物理页，而是若干个逻辑页写在一个物理页中，逻辑页其实是和子物理页一一对应的。
对于绝大多数SSD，我们可以看到上面都有板载DRAM，其主要作用就是存储这张映射表，如图4-7所示。在SSD工作时，全部或绝大部分的映射表都可以放在DRAM上，映射关系可以快速访问。

但有些入门级SSD或者移动存储设备（比如eMMC、UFS），出于成本和功耗考虑，它们采用DRAM-Less设计，即不带DRAM，比如经典的Sandforce主控，它并不支持板载DRAM，那么它的映射表存在哪里呢？它采用二级映射（见图4-8）。一级映射表常驻SRAM，二级映射表小部分缓存在SRAM，大部分都存放在闪存上。
二级表就是L2P（Logical address To Physical address，逻辑地址到物理地址转换）表，它被分成一块一块（Region）的，大部分存储在闪存中，小部分缓存在RAM中。一级表则存储这些块在闪存中的物理地址，由于它不是很大，一般都可以完全放在RAM中。
SSD工作时，对带DRAM的SSD来说，只需要查找DRAM当中的映射表，获取到物理地址后访问闪存便会得到用户数据，这期间只需要访问一次闪存。而对不带DRAM的SSD来说，它首先会查看该逻辑页对应的映射关系是否在SRAM内：如果在，直接根据映射关系读取闪存；如果不在，那么它首先需要把映射关系从闪存中读取出来，然后再根据这个映射关系读取用户数据，这就意味着相比于有DRAM的SSD，它需要读取两次闪存才能把用户数据读取出来，底层有效带宽减小，如下图所示：

下图是不带DRAM的SSD架构

对顺序读来说，映射关系连续，因此一次映射块的读，可以满足很多用户数据的读，也意味着DRAM-less的SSD可以有好的顺序读性能。但对随机读来说，映射关系分散，一次映射关系的加载基本只能满足一个逻辑页的读，因此对随机读来说，需要访问两次闪存才能完成读操作，随机读性能就不是那么理想了。

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映射表刷新

映射表在SSD掉电前，是需要把它写入到闪存中去的。下次上电初始化时，需要把它从闪存中部分或全部加载到SSD的缓存（DRAM或者SRAM）中。随着SSD的写入，缓存中的映射表不断增加新的映射关系，为防止异常掉电导致这些新的映射关系丢失，SSD的固件不仅仅只在正常掉电前把这些映射关系刷新到闪存中去，而是在SSD运行过程中，按照一定策略把映射表写进闪存。这样，即使发生异常掉电，丢失的也只是一小部分映射关系，上电时可以较快地重建这些映射关系。
那么，什么时候会触发映射表的写入呢？一般有以下几种情况：

• 新产生的映射关系累积到一定的阈值
• 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
• 其他
  写入策略一般有：
• 全部更新
• 增量更新
  全部更新表示的是缓存中映射表（干净的和不干净的）全部写入到闪存，增量更新的意思是只把新产生的（不干净的）映射关系刷入到闪存中去。显然，相比后者，前者需要写入更多的数据量，一方面影响用户写入性能和时延（latency），另一方面增加写放大，但其好处是固件实现简单，不需要去知道哪些映射关系是干净的，哪些是不干净的。