FTL详细资料
FTL产生过程
如果仅仅是SSD的使用者，一定不会在意在SSD内部居然还存在一个复杂的软件层Flash Translation Layer（FTL）。其实就是这个FTL才是SSD固态硬盘的软件核心技术。正因为有了FTL，NAND Flash才能被当成硬盘来使用；文件系统才可以直接把SSD当成普通块设备来使用。由于FTL是SSD设计厂商最为重要的核心技术，因此，没有一家厂商愿意透露这方面的技术信息，并且也一直没有业内的技术规范、标准存在。
FTL的重要程度在于决定了一个SSD的使用寿命、性能和可靠性。一旦FTL出现问题，那么就会导致数据读写发生错误，更为严重的是SSD盘无法被访问。优秀的FTL不仅能够提升Flash存储的使用寿命，而且还可以最优化读写性能。因此，在Flash固态存储中，FTL是一个最为重要的管理NAND Flash的软件层。
在学术界，这十年来有很多文章在讨论如果实现一个高效的FTL，例如，在有限硬件资源的环境下如何实现mapping？如何实现buffer的管理？如何实现高效的Garbage Collection？如何实现磨损均衡Wear-leveling？如何实现NAND Flash芯片之间的数据冗余（RAID on Chip）？很多算法的提出非常具有建设性和现实意义，对工业界具有很好的指导价值。
这里主要想谈一下FTL内部mapping的机制。从文章《采用NAND Flash设计存储设备的挑战在哪里?》了解到基于NAND Flash研制存储设备是有很多挑战的，最大的问题在于NAND Flash不能像内存那样随意的写入。NAND Flash在Page页写入之前必须要将Page页所在的Block块擦除。如果研制SSD的时候严格按照这个准则，那么设计开发出来的SSD是不能用的。其一，按照这种方式进行写操作，写入的性能将会很差，其bottleneck限制在块擦除上（块擦除时间在ms级）；其二，不断的对同一Block块进行擦除操作，那么该块将会在短时间内磨损写坏，并且极易导致存储在该块上的数据丢失。因此，在设计SSD时最主要的任务就是解决NAND Flash的这种“写时擦除”问题。
技术是相通的，在90年代提出的Log-structured File System（LFS）思想和NAND Flash简直是天生一对。当初设计Log-Structured File System最主要的想法是利用机械磁盘出色的顺序写性能，避免糟糕的随机写问题。Log-structured File System在机械硬盘的时代有一定的应用局限性，问题在于采用log数据布局的方式之后，读性能变得很差。因此，只有在大块数据读写（对象存储）的环境下，log-structured File System才变得合情合理。在NAND Flash介质上，不存在机械硬盘随机读写的问题，因此，log-structured的数据布局方式不会引入任何性能问题，反而能够解决NAND Flash的“写时擦除”问题。
采用Log-structured的方式之后，NAND Flash可以采用out-of-place的数据更新方式。所有的数据更新都不会写入原来的page页，而是重映射写入一个新的Page页。在这个思路的引导，很显然所有NAND Flash的存储资源可以按照物理Page页的方式管理起来，而用户可见的空间则是一个连续逻辑Page页连接起来的地址空间。FTL的一个关键任务就是建立逻辑Page和物理Page之间的映射关系，并且在数据写入时重新分配物理Page页。在这种机制的支撑下，SSD的写性能可以大为提高，写延迟可以控制在200us的级别。
引入log-structured的机制之后，逻辑page和物理page之间存在映射关系，FTL负责物理page页的分配。考虑到每个Block块都是有擦除寿命的，因此，如果想要提升SSD的整体使用寿命，那么需要将块擦除次数均衡到所有块上去。这个工作就交给了FTL中的块分配器。均衡擦除次数这个工作其实是挺麻烦的事情，其最大的挑战在于记录每个块的擦写次数，并且这些信息需要持久化存储。
众所周知，log-structured数据布局方式最大的问题在于垃圾回收（garbage collection），由于page页从来不会被in-place-update，因此，当一个page被重映射之后，老的page页就会变成无效，等待Garbage Collection回收该页。在NAND Flash中，GC最大的挑战在于以块为单元进行擦除，而不是Page页。换句话说，GC需要将一个Block块中的所有Page页同时回收，这个限制导致GC在回收一个Block的时候会进行数据迁移操作。过多的数据迁移操作会影响SSD的使用寿命，并且会影响到整体的读写性能。因此，优化Garbage Collection成了FTL最头疼的一个问题。最容易想到的一个优化方法是将冷热数据分开存储到不同的Block块中，这样在数据回收的时候，可以尽最大可能减少有效数据的迁移。
Log-structured File System为NAND Flash的FTL设计提供了一个非常好的思路。但是，要想在SSD这样一个硬件资源非常有限的平台上实现FTL的所有功能还是很有挑战的。举个例子，log-structured的方式是需要进行Page页映射的，映射操作需要建立映射表。如果内存太小，那么对映射表的大小就提出了需求。假设一个SSD具有1TB的容量，那么如果采用4KB Page映射的方式，每个page映射需要4字节描述，那么至少需要1GB的内存容量来存放映射表。在嵌入式系统中，1GB的内存容量是庞大的。因此，为了避免过多的占用内存容量，拍脑袋可以想到Block映射的方式。假设一个Block容纳128个Page页，那么一下子可以将映射表容量缩减到原来的1/128。但是这种Block映射的方式效率实在太低，会导致大量的数据迁移，从而缩短了SSD的使用寿命。
A． LBA和PBA究竟是对应page还是block？
解答:如果我们把LBA和PBA都设置成page大小，这也叫做page-level mapping，这和我们写入颗粒一致，很灵活。但这么小的粒度会带来一个问题：逻辑对应表太大！想象一下，我们有个64GB的Die，每个page只有4KB，我们的对应表需要64*1024*1024 * 4 /4 = 64MB！这个绝对不能接受。那么按照block，也就是block-level mapping呢? 会不会好些呢？至少占用空间好了很多，但是因为写入时不清楚page情况，往往要整块擦除，效能会大大下降。有没有更好的办法呢？实际使用中常用的是log-block mapping,它从我们现代的log文件系统中学到经验，也充分利用了page和block的不同特性。
所以，为了减小映射表的容量，一个比较可行的方式是采用Hybrid映射方式。
Hybrid-level mapping的思想是将映射操作分成两级。第一级是data-log，所有数据首先写入log，当log写满之后，再将log中的数据合并至data-block；第二级是data-block，用来存放从log中合并过来的数据。对于data-log，由于数量有限，因此可以采用page-level mapping的方式；对于data-block，由于存储容量比较大，因此，可以采用block-level mapping的方式。Hybrid-level mapping可以很好的平衡内存使用和mapping效率之间关系，因此，学术界也对此提出了很多优化的方法。
其中，一个比较有意思的方法是locality aware的hybrid-level mapping思想，其原理如上图所示。从结构上讲，其大致可以分成传统Hybrid-level mapping的双层结构。写入的数据首先进入data-log。不同的地方是，data-log被分成了random-log-buffer和sequential-log-buffer。写入的数据根据locality-detector被分流至random-log-buffer或者sequential-log-buffer。其中random-log-buffer采用page页映射的方式，sequential-log-buffer直接采用block映射的方法，这样可以进一步降低内存使用量。当log-buffer中的数据满了之后，需要合并到data-block。合并的方法和传统的相同，被分成switch、partial-merge和full-merge。
FTL是NAND Flash存储的底层核心技术之一，由于NAND Flash本身存在很多问题，导致FTL的设计、实现都会存在很多的挑战。上面只是简单的阐述了一下FTL中mapping的一些棘手问题和一些解决思路，抛砖引玉，揭开了神秘面纱，往里面瞅上了一眼。这一看其实会发现，FTL虽小，但是难度丝毫不比一个文件系统小。
FTL详细介绍
和传统磁盘相比，Nand Flash存储设备存储延迟低、功耗低、更高的存储密度、抗震型号更好和噪声低。但是，由于Nand Flash的特性影响(读写擦的单位不一致，每个块有P/E次数限制)，Nand Flash不能直接通过简单的接口转换就拿来使用。所以我们需要在Nand Flash上增加一个管理软件FTL(Flash Translation Layer)进行管理，对外就是一个黑盒子，上层应用可以通过逻辑地址来对这个黑盒子进行访问。
图1
如上图，上层应用通过逻辑地址来访问存储设备，FTL把不同的逻辑地址映射到Nand Flash中的不同位置，FTL简单来说，主要就是映射管理。
固态存储相对于传统磁盘的一些特点：
异处更新(out-of-place Update)。正如之前所说，Nand Flash编程操作只能把存储单元从1变为0，所以在重新编程之前需要进行擦除操作。而且编程以页为单位，擦除以块为单位(一个块包括多个页)。如果使用同处更新(in-place update)，就是把同逻辑地址重复更新到同样的位置上，那么每一次更新，都需要先进行一次擦除操作。由于擦除操作耗费时间和对Flash有损伤，所以一般FTL使用异处更新，把更新的数据映射到一个新的位置上。
如下图，上层应用先写逻辑地址0、1，FTL把数据映射到Nand Flash的物理块0、1页上，然后上层应用又写逻辑地址0，此时物理块0第0页不能重新编程，所以FTL把数据存放在物理块0的第2页上。
图2
P/E次数有限制。之前有提到，Nand Flash每个块是有擦除次数限制的，在擦除一定次数后，这个块会变得不稳定，编程进去的数据容易出错，甚至会擦除失败。
性能更好。和传统机械硬盘不同，Flash存储是没有机械设备的，比如说不需要寻道，对所有的地址访问开销都一样，特别是在随机读性能上，SSD远远好于传统机械硬盘。按这个道理，Flash设备随机访问和顺序访问的速度是一样，但现实上，Flash支持Cache操作，在顺序访问中可以提前把下一个页的数据读取放到内部寄存器中，可以更快响应读请求。所以在顺序访问上速度要比随机访问要快的。
读、写速度不一致。如之前文章描述的，把电子从浮动门中吸进去（写操作）比检测浮动门电场状态（读操作）要耗时。所以FTL在管理时，尽量减少写和擦除的操作。
FTL功能
- 地址映射管理。闪存设备对外是一个黑盒子，里面集成了Nand Flash和FTL等，上层应用使用逻辑地址来访问，FTL把逻辑地址映射到不同物理地址上，管理着每个逻辑地址最新的数据存放的物理位置，如图1。
- 垃圾回收。随着数据的写入，闪存设备上有些块的部分数据已经无效了，需要把有效的数据从块上搬走，然后擦除用来接收新的数据。
- 磨损均衡和坏块管理。因为每个块的P/E次数是有限的，某些块可能被重复使用而损坏了，而有些块数据很少被访问，所以一直没有进行操作过。为了避免这种情况，FTL加入磨损均衡的功能，大致是通过控制垃圾回收和空块池的管理，从而平衡每个块的使用次数，最理想是所有块一起达到磨损阈值。
由于Flash本身就存在部分坏块，在使用的过程中部分块会变坏，所以FTL在管理的时候需要避开这些无用块，把使用后变得不稳定块上的数据及时拷贝到稳定位置。
FTL研发关注点
- 映射管理性能。映射分为两种：逻辑地址到物理地址映射，成为直接映射；物理地址到逻辑地址映射，称为逆映射。大部分时候使用的都是直接映射，直接映射可以可能保存在SRAM中，也可能存放在Flash中。逆映射需要通过扫描Flash来建立映射关系，因为逆映射关系存放在Flash页的冗余空间中。可见，映射关系存放在SRAM中时获取对应关系速度是最快的，但由于SRAM资源比较紧张，所以会把所有映射关系存放在Flash中，软件只会加载使用的那段映射关系。逆映射需要扫描Flash来建立映射关系，所以速度最慢，一般用于特殊情况映射关系的恢复，比如说操作过程中断电了，或者某张映射表格所在的物理页坏了，需要重建。
映射影响着我们数据的存放，比如说需要区分顺序数据和随机数据，随机数据可能区分为热数据、冷数据。如果把热数据和冷数据存放在同一个块中，由于热数据更新频繁，导致物理块有效页利用率不高，把此块进行垃圾回收时，要把其中冷数据有效页拷贝到其它地方，导致写放大。如果冷热数据区分开，可以避免在垃圾回收中回收到冷数据。
映射管理是FTL中最重要的一点。 - 垃圾回收效率。垃圾回收需要考虑到冷热数据、磨损平衡和读写延迟。回收过程中把热数据和冷数据混合在一个块中，会导致冷数据的频繁读、写，加剧Flash损耗和影响性能。而且，热数据会被经常更新，在垃圾回收流程中应该避免回收热数据块。所以垃圾回收流程，需要综合考虑几大方面。
- 读写延迟。 读写延迟主要是指上层应用发送读写指令，设备处理、回复数据的时间。理想情况是，收到指令，软件在RAM中找到映射关系，返回数据。事实上影响的因素很多，比如说存在后台操作，在指令执行中间，软件可能进行垃圾回收,不能及时响应命令，如果垃圾回收流程控制不好，会造成上面这种情况，写速度波动很大，给人感觉就是在打CS，时而流畅，时而卡顿。
- SRAM需求。SRAM价格比较高昂，所以一般产品会严格控制SRAM的大小。如果SRAM足够大，可以把映射信息都保存在SRAM上，也把Flash中的数据都读取到SRAM上，性能是最好的（此外最好得有个备用电源或者超级大电容，意外掉电时可以把SRAM中被更新的数据写回Flash~）。事实上SRAM大小远远不够的，所以有块管理算法、混合管理算法和把映射关系存放在Flash中的方案，缓存上层应用数据也要考虑把部分冷数据回写到Flash中。
- Flash并行操作。闪存设备底层，每片Flash可以进行Multi Plane操作，多片Flash间同时操作，也可能有多通道可以并行操作。这些操作可以大大加速对Flash的访问速度，有点类似于RAID技术。 以上提到的FTL基本功能是相互关联的。比如说，上层应用写数据到某个逻辑地址上，地址映射管理在空块池中获取一个物理块来接收数据，然后触发了垃圾回收。垃圾回收在选择物理块的时候需要考虑到块的磨损情况、是否坏块，在回收这个块的时候需要使用并行操作，提高回收速率。
- 异常处理。在Nand应用场景中，比如说SSD、U盘、eMMC，均存在一些突然断电的情况。如何在突发掉电的情况后恢复数据，保持映射关系正常。比如说，RAM中缓存着最新的映射关系，没有保存在Flash中，此时掉电后，如何在下次上电后把RAM中的映射关系恢复；如何保证当前找到的映射表格是最新的等等。还有规避Flash特性造成的错误，如驻留错错误（Data Retention）、Disturb。
关于FTL的疑惑：
1、F2FS是否绕过了FTL层直接操作的NAND flash？因为F2FS中提供了类似FTL层的GC、磨损均衡、映射等操作？？
自我解答：我认为F2FS自带了FTL的功能，不需要传统的FTL的转换，可以直接操作raw flash设备。
因为F2FS是为flash文件系统专门设计的，而对于传统的磁盘文件系统不是为Flash而设计的，如果直接在Flash上运行会很快使Flash局部老化而丢失数据，或崩溃。另外由于FLASH的块比较大，如果直接映射成块设备的话，空间利用率低。
FTL的作用就是解决负载均衡与提供适合传统文件系统的，大小合适（如512字节）的块设备。
如图所示
