第4章 SSD核心技术：FTL 4.1-4.2

 LBA（Logical Block Address），逻辑区块地址。

PBA（Physics Block Address），物理区块地址。

SSD中的操作系统--FTL（闪存转换层）_ftl层_Ashore2022的博客-CSDN博客

一般，FTL中有三个表：

 （1）FTL映射表：记录每个LBA对应的物理页位置；

（2）Valid Page Bit Map（VPBM）：记录每个物理块上哪个页有有效数据；

（3）Valid Page Count（VPC）：记录每个物理块上的有效页个数。

4.1 FTL综述

          FTL（Flash Translation Layer），即闪存转换层，完成主机（或用户）逻辑地址空间到闪存（Flash）物理地址空间的映射（Mapping）。

        SSD每把一笔用户逻辑数据写入闪存地址空间，就会记录下该逻辑地址到物理地址的映射关系。当主机想读取该数据时，SSD便会根据这个映射，从闪存读取数据后返回给用户。

        CPU要对SSD执行读写操作时，只需对LBA进行操作，FTL会根据LBA从映射表（Mapping Table）中找到相应的PBA，然后对存储单元进行操作。

    闪存具有一些特性，FTL根据这些特性表现出了一些作用，如下：

闪存	FTL
Block需先擦除才能写入，不能覆盖写	FTL实现逻辑地址到物理地址的映射；闪存空间不够用时，FTL做垃圾回收（GC），即把若干个Block上的有效数据搬出，写到某个新的Block上，再把之前的Block擦除，得到可用的Block
Block具有一定寿命	期望所有Block均摊数据的写入，故FTL要做磨损平衡（Wear Leveling），让数据写入均摊到每个Block上
Block的读的次数有限，读的次数多了，会产生读干扰（Read Disturb）	处理读干扰问题，即Block读的次数即将到达阈值时，FTL需将数据从该Block搬走，避免数据出错
闪存的数据保持（Data Retention）问题	SSD上电后，FTL会执行扫描闪存等操作，以发现是否存在数据保持问题。若有，则需搬动数据
闪存有坏块，随着SSD使用，又会产生新的坏块	FTL执行坏块管理
MLC或TLC存在Lower Page corruption问题	FTL存在机制避免Lower Page corruption问题
MLC或TLC的读写速度不如SLC，但它们可配成SLC模式来使用	好的FTL，会利用该特性改善SSD的性能和可靠性

        即，FTL除了完成基本的地址映射外，还需处理垃圾回收（GC）、磨损平衡（Wear Leveling）、坏块管理、读干扰（Read Disturb）管理、数据保持（Data Retention）处理等事情。

      FTL分为Host Based（基于主机）和Device Based（基于设备），如下：

      （1）Host Based 表示的是，FTL是在主机（Host）端实现的，用的是计算机的CPU和内存资源。

       （2）Device Based 表示的是，FTL是在设备（Device）端实现的，用的是SSD上的控制器和RAM资源。

        FTL的初衷是完成逻辑地址到物理地址的映射，下面首先接收FTL的映射。

4.2 映射管理

4.2.1 映射种类

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

  1. 块映射

        块映射以闪存块为映射粒度，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。

    优点：存储映射表所需的空间小；连续大尺寸数据的读写性能好。

    缺点：性能差，尤其是小尺寸数据的写性能（原因：即使只写入一个逻辑页，也需要将整个物理数据块先读出来，再改变那个逻辑页的数据，最后再整个块写入）。

        

      块映射中，用户空间被划分为一个个逻辑区域（Region），每个区域和闪存块大小相同。

   2. 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。

      优点：性能好，尤其是随机写上面。

      缺点：闪存页远比闪存块多，因此需要更多的空间来存储映射表。

    页映射中，用户空间被划分为一个个逻辑区域（Region），每个区域和闪存页大小相同。

  3. 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，它的映射表所需的空间以及性能都是介于块映射和页映射之间的。

        混合映射中，用户空间划分成一个个逻辑区域，逻辑区域和闪存块大小相同。每个逻辑块对应一个闪存块，但逻辑块内部又分为一个个逻辑页，与对应闪存块中的闪存页随意对应。

 

4.2.2 映射基本原理

        用户通过LBA访问SSD，每个LBA代表着一个逻辑块（大小一般为512B / 4KB / 8KB）。用户访问SSD的基本单元成为逻辑页；SSD内部，主控是以闪存页为基本单元读写闪存的，称闪存页为物理页。

 

         大多数SSD上，都有板载DRAM，其主要作用就是存储映射表。

 

4.2.3 HMB

        映射表除了可以放在板载DRAM（动态随机存取存储器）、SRAM（静态随机存取存储器）和闪存中，还可以放在主机的内存中。

        HMB（Host Memory Buffer），即主机高速缓冲存储器：主机在内存中专门划出一部分空间给SSD用，SSD可以把它当成自己的DRAM使用。因此，映射表完全可以放到主机端的内存中去。

      性能上：它介于带DRAM和不带DRAM（映射表绝大多数存放在闪存）之间，因为SSD访问主机端DRAM的速度比访问SSD端DRAM的速度慢，但比访问闪存的速度快。

    总结：SSD有以下两种设计，

   （1）带DRAM的。DRAM用于缓存数据和存放映射表。

             优缺点：性能好，映射表完全放在DRAM中，查找和更新迅速。SSD成本高，功耗大。

   （2）不带DRAM（DRAM-Less）的。缓存数据用主控上的SRAM，映射表采用两级映射----一级映射和少量的二级映射放在SRAM中，二级映射数据大多数存放在闪存上。

            优缺点：成本和功耗相对较低。性能差。

以随机读为例：

        （1）不带DRAM的SSD，访问映射表的时间是读闪存的时间；

        （2）带DRAM的SSD，访问映射表的时间是读DRAM的时间；

        （3）带HMB的SSD，访问映射表的时间是访问主机DRAM的时间。

4.2.4 映射表刷新

      什么时候会触发映射表的写入呢？

        （1）新产生的映射关系达到一定的阈值；

        （2）用户写入的数据量达到一定的阈值；

        （3）闪存写完闪存块的数量达到一定的阈值；

        （4）其他。

      写入策略有：全部更新和增量更新。