ftl
NAND flash的组成
一个典型的Flash芯片由Package, die, plane, block和page组成，如下图：
Package: 也就是chip即Flash芯片，就是我们经常在M.2的SSD上看到的NAND flash颗粒：
Die: 一个NAND颗粒是由一颗或者多颗Die封装在一起而成，这种封装可是平排的，也可以是层叠的。die内部可以通过3D 堆叠技术扩展容量，譬如三星的V-NAND每层容量都有128Gb（16GB），通过3D堆叠技术可以实现最多24层堆叠，这意味着24层堆叠的总容量将达到384GB！就像盖楼房一样：
Die也是可以单独执行命令和返回状态的最小单位。
Plane: 一个die可以包含几个Plane.
Block: 重要的概念，它是擦除操作的最小单位。
Page：也很重要，它是写入动作的最小单位。
FTL
当我们有了块“干净”的Flash，我们第一个想干的事就是写些东西上去，无论我们是写一个byte还是很多东西，必须以page为单位，即写一个byte上去也要写一个page。当我们满意的写了东西上去后，如何修改呢？是不是可以再写一次呢？可惜的是，我们的program操作只能把bit 1改成0，而不能从0改成1. 即我们可以把11110000改成11000000，但不能改成11111111。即有点像逻辑and操作(我们可以通过NAND这个名字联想记忆一下)。那么如何把0改回1呢？这就要靠擦除操作了，但是擦除操作只能在block的上面操作，如果我们把整块block上的所有page都读回RAM，改动后再擦除再写回去(也叫read-modify-write)，似乎问题就完美解决了。但是别忘了，我们前文中提到，NAND flash的寿命是由其擦写次数决定的(P/E数 (Program/erase Count)来衡量的)，频繁的擦除慢慢的会产生坏块。那么我们如何才能平衡整块flash的整体擦写次数呢？这就要我们的FTL登场了。
1。FTL原理
FTL简单来说就是系统维护了一个逻辑Block地址（LBA，logical block addresses ）和物理Block地址（PBA, physical block addresses）的对应关系, 如图：
有了这层映射关系，我们需要修改时就不需要改动原来的物理块，只需要标记原块为废块，同时找一个没用的新物理块对应到原来的逻辑块上就好了。问题解决了！实际情况比这个稍微复杂些，我们需要解决以下问题：
A． LBA和PBA究竟是对应page还是block？
B． 如何做到寿命均衡?
C． 废块何时回收？
D． 这个逻辑对应表存储到哪里？
2。LBA/PBA的颗粒度问题
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。它比较复杂，我们这里按下不表。
3。如何做到寿命均衡（Wear Levelling）
LBA/PBA的映射本身会对寿命均衡产生正面影响。就如我们SD卡上的FAT文件系统，文件分配表会被经常修改，但由于修改的是逻辑块，我们可以让每次物理块不同而避免经常擦写相同的物理块，这本身就保证不会有物理块被经常擦写。但是有一种情况它没有办法处理，即冷的数据块（cold block），它们被写入后没有更改，就一直占据某些物理块，而这些物理块寿命还很长，而别的热的块却在飞速损耗中。这种情况怎么办呢？我们只有在合适的时机帮它们换个位置了，如何选择这个时机很重要，而且这个搬家动作本身也会损耗寿命本身。这些策略也是各个FTL算法的精华了。
4。垃圾回收
废块需要找时机回收，这就需要垃圾回收（GC，Garbage Collection）机制。
现在到处都会碰到GC，各种高级语言都在炫耀自己有GC，不像C++/C那样要手动回收内存。这里的GC是指回收废块，但是时机非常重要，谁都不希望看到一个存盘后，SSD硬盘固件发现没有干净的块可用，开始整盘GC，就像开始了一个没有进度条的磁盘整理，系统被完全卡死了。聪明的固件往往未雨绸缪，在我们不知不觉下在后台悄悄做垃圾回收，不少固件还同时进行Wear Levelling。
5。LBA/PBA表存储在哪里
这个表随时可以变化，我们把它存储在哪里呢？是不是也找个page存起来呢？事实上，在大部分的NAND Flash里，还有些空闲块，我们叫它OP(Over Provisioning)。如下图:
这些空闲的块可以极大的帮助我们改善NAND flash的性能，它可以：
A． 坏块处理。发现坏块，这些后备的可以立刻顶上，因为有映射机制，上层软件完全感受不到。
B． 存储LBA/PBA表
C． 给GC和Wear Levelling留下极大的腾挪空间。
D . 减少写入放大（Write Amplification）
事实上，现在几乎所有主流SSD等NAND die上都有OP。譬如我们拿到标称容量240GB的SSD，实际空间可能有256GB甚至更高（一般>7.37%），只不过这些多余的空间我们用不到，感受不到，它完全被SSD固件藏做私用而已。
尾声
现在能生产NAND芯片的厂家在Wikipedia上能查出11家，而能生产主控芯片和固件的就四家。他们各自的绝活都在FTL中的各种调优上，再加上Trim等等特性，这也就决定了SSD硬盘性能的好坏。
文章最后发布于: 2018-07-05 08:52:22
相关阅读
小编导读 : 2015年，金错刀频道会启动一个创业公益项目——《创业狠问答》。第一季就是“不花钱”系列。我被很多创业者问的最多的
论-100000乘以-100000 #我真是闲的无聊，菜的一批，才会去论-10000乘以-100000，但我不知道为什么会爆？#计算完成之后类型转换#计算完成
A5创业网（公众号：iadmin5）1月15日报道，近日北京监狱与支付宝合作，上线了服刑人员综合账务管理系统，为服刑人员提供了狱内支付、家属存款
营销QQ是拥有10万好友容量的一个企业版QQ，可以每天发出1000次好友邀请，但是很多用户在购买使用之后，发现并不能达到1000次邀请量，经常
浅谈setInterval(aa,1000)与setInterval(aa(),1000)的
一直有个疑惑，在定时器上调用某个方法时，加括号和不加括号有什么区别。今天做了个实验，发现，不加括号定时器会每秒执行一次，加了括号只