FTL

概述

在固态硬盘（SSD）中，FTL（全称：Flash Translation Layer，闪存转换层）是一项核心技术。FTL位于固态硬盘的控制器中，负责管理主机和闪存之间的数据交互，对SSD的性能（Performance）和可靠性（Reliability）起着至关重要的作用。

FTL涉及多个关键功能模块，包括：

• 映射表（Mapping Table）

• 坏块管理（Bad Block Management）

• 垃圾回收（Garbage Collection）

• 磨损均衡（Wear Leveling）

• 错误管理（Error Handling）

• 等等

映射表

为了更好地理解FTL的原理，需要掌握以下闪存的基本特性：

1. 数据操作方式：

   • 擦除操作将数据置为1，写操作将数据置为0。

2. 操作单元：

   • 擦除操作的最小单元是Block（块），写操作的最小单元是Page（页）。

   • 一个Block由多个Page组成。

3. 写入限制：

   • 在Page写入数据前，必须先擦除Page所在的Block。

闪存有一个重要特性：在Page写入数据之前必须要将Page所在的Block擦除。举例来说，假如将 1.txt 的内容保存在 block 1 page 1上，要修改时，需要先将block1擦除掉然后再写入page1中。这样会带来两个问题：

1. 写性能很差，写的时间为“擦除block的时间”加上“写入page的时间”。

2. 对block频繁的擦写操作，会让block很快变成坏块，无法使用。

而引入「映射表」可以很好地解决这个问题：数据更新时，不写入原来的Page，而是重新映射写入一个新的Page。

映射表可结合下图理解，虚线上方表示逻辑地址（Logical Block Address），下方表示物理地址（Phygical Block Address），在FTL中，映射表将逻辑地址与物理地址关联起来。这样，从操作系统视角看，存储空间是连续的（A flat block device），易于管理；而实际存储的物理地址，则由FTL负责管理。

映射粒度分为块映射、页映射和混合映射。简单对比如下：

写处理

通过映射表，FTL充当操作系统和闪存之间的“翻译官”，其完整的写流程如下：

操作系统发送指令给SSD，要求在逻辑地址0上，写入大小为1的数据“A”。FTL层接受该指令，将数据写入物理地址0上，并在L2P表（Logical to Phygical）中记录映射关系：逻辑地址0 -> 物理地址0。

操作系统发送指令给SSD，要求从逻辑地址4开始，写入大小为12的数据“BCDEFGHIJKLM”。FTL接受该指令，将数据写入物理地址1~12，并在L2P表中记录映射关系。

注意，物理地址与逻辑地址并非一一对应。在上述例子中，逻辑地址4其实对应的是物理地址1。当操作系统向SSD发送指令，要求读取逻辑地址4的数据时，FTL会先从L2P表中得知该数据是在物理地址1上，然后读取数据返回给操作系统。

当逻辑地址0的数据需要更新时，FTL会将新的数据（“A'”）写入新的位置（物理地址13）上，将原先的物理位置（物理地址0）标记为不可用（Invalid），并且在映射表中修改映射关系（逻辑地址0 -> 物理地址13）。

垃圾回收

数据更新会导致原先写入的物理地址变得不可用（Invalid），因此需要将这些不可用的 Page 所在的 Block 进行擦除，将无效存储空间释放出来。该过程称为垃圾回收（Garbage Collection）。

GC的核心步骤包括：

1. 确定需要回收的Block。

2. 搬移有效数据（Valid Page）到新的Block。

3. 更新映射关系。

4. 擦除原Block，释放存储空间。

一种常见的GC算法是贪婪算法：优先选择有效数据最少的Block进行回收。

例如，有效Page最少的是Block3，因此选择该Block回收。先读取该Block中的有效数据，即物理地址12。

然后将该数据写入另一个Block中（写入物理地址17），并更新映射关系——逻辑地址15对应的物理地址从12改为17。

这里有个问题，更新映射关系前，如何知道物理地址12对应的逻辑地址是15呢？答案是，需要有一张P2L（Physical to Logical）表，从中获取物理地址12对应的逻辑地址15。

最后，对Block3进行擦除，获得新的可写入空间。

磨损均衡

Block的擦写次数过多会变成坏块（GBB，Grown Bad Block）。为了提升SSD整体寿命，需要将块擦除次数均衡到所有块上去——磨损均衡（Wear leveling）。效果如图所示：左边对应未做磨损均衡，红线表示部分Block磨损次数过多，变得不可用；右图对应做过磨损均衡，黄线表示其中磨损次数最多的Block，由于未达到其承受的次数极限，该Block仍然可用。

常见的磨损算法有两种：

• 动态磨损均衡（Dynamic WL），将热数据写到年轻的Block。

• 静态磨损均衡（Static WL），将冷数据迁移到老化的Block。

这4个概念的描述如下：

MP技术

SSD中有非常多的设计都是为了加快读写速度，其中一个设计就是MP。

在介绍MP前，需要先介绍下闪存的架构：

• 1 个Chip有多个Die

• 1 个Die有多个Plane

• 1 个Plane有许多Block, 1 个 Die 上并行的多个Block称为Superblock

• 1 个Block有许多Page，1 个 Die 上并行的多个Page称为Superpage

同一个Die上并行的page共享着相同的 WL 和 Wordline Decoder，因此支持同时对多个Plane上的page进行操作，该操作称为Multi-Plane，简称MP，可加快读写速度。

注意，必须是并行的 page 才可以执行 Multi-Plane 读写。这样会带来一个问题，假如用户需要写入的数据很少，达不到一个super page的大小，直接写入的话无法发挥出MP的优势，如何解决？

答案是，可以将小数据缓存到Page Buffer中，待数据累积到Superpage大小时再写入，以充分利用MP并行能力。

然而，在垃圾回收中，一味追求MP操作，效果可能反而会变差。

假设需要执行垃圾回收时，闪存中有效页与无效page的分布情况如下图所示：

根据贪心算法，优先对无效page最多的Block进行回收，假设仅考虑单个Block的搬运方式，无效page最多的是图中红色框中的BlockA和B。回收时，需要将A 搬到 C、将B搬到D。这种搬运方式，读写次数为：

如果从 super blokc 的视角看，无效page最多的是图中红色框中的Block1。

这种搬运方式，读写次数为：

通过对比发现，第2种回收方式虽然保留了 multi-plane writes，但实际花费了更多的读写次数。因此， Multi-plane operations 虽然可以很大程度上提升SSD的性能，但也需要在FTL中做优秀的设计。

写在最后

本文仅是我学习FTL的一些理解，更多内容建议阅读：

• 深入浅出SSD

• A Beginners Guide to SSD Firmware

• Inside NAND Flash Memories(Chapter 17.4 Flash translation layer)

• modern SSD

• http://www.ssdfans.com

https://www.modevol.com/