理解SSD核心技术FTL

Flash的基本操作

不同于HDD，Flash的基本操作除了读和写，还包括擦除操作。这三种操作的具体表现是：读操作以page为单位读取存储单元中的0或1，写操作以page为单位将存储单元从1变成0，擦除以block为单位将存储单元从0变成1（一个block包含若干个page）。

所以在SSD中三种操作的速度关系是：擦除操作 < 写操作 < 读操作。

在一个page中，除了data area，还包括一个叫Out-Of-Band area（OOB）的部分，这部分记录了这个page的相关信息，包括ECC、逻辑页号（LPN）、页状态。

页状态包括：valid，invalid，erased/free。

当页没有存储数据时，状态是erased；
写操作的对象只能是erased页，写入数据后，这个页的状态就变成了valid；
异地更新后，存储了旧(脏)数据的页的状态变成invalid。

Flash的特性

读写操作速度不对称，擦除操作 < 写操作 < 读操作；
异地更新
就地更新开销大，主要操作包括：1)读取整个block到缓冲区; 2) 更新部分页; 3) 擦除整个block; 4) 把整个block写回到Flash。
异地更新的主要操作包括：1) 标记更新的页为invalid；2) 向erased页写入新的数据。这也就需要记录逻辑页和物理页的映射关系，这部分由Flash Trabslation Layer (FTL)完成。
需要GC。异地更新导致部分页invalid，需要GC回收这些invalid。GC操作先将选中的victim block中的valid全部迁移到一个erased block，然后对victim block执行擦除操作。
磨损均衡(wear-leveling)。Flash的存储单元寿命有限，持续对某些存储单元擦写（Program/Erase），会加速这部分单元损坏。执行磨损均衡的独立会影响性能，粒度越小，会导致磨损越均匀，但是带来的开销也越大，所以在粒度和性能之间存在trade-off。

SSD的FTL

大部分SSD的存储介质是NAND flash，所以也就需要FTL模块。FTL的主要工作是将面向用户的逻辑页映射到具体物理页，根据映射粒度大小不同，可以分为页映射、块映射和混合映射。

页映射：
页映射将每一个逻辑页映射到每一个物理页，映射关系如图1(a)所示，FTL从块设备的上层（如文件系统层）接收到LPN（logic page number），通过映射表获取到PPN（physical page number），然后将这个PPN分成PBN（physical block number）和块内偏移offset，拿着PBN和offset即可寻址到对应的页面。
块映射：
块映射将每一个逻辑块映射到每一个物理块，映射关系如图1(b)所示，FTL从块设备的上层接受到LPN，将这个LPN分成LBN和offset，通过映射表将LBN转换成对应的PBN，拿着PBN和offset即可寻址到对应的页面。块映射的基本原理就是组映射，也就是块中的页面都是连续的，假如不是连续的，那也就不可能通过offset寻址到目的页面。
图 1

混合映射：
页映射的优点是效率高，直接通过映射表就能将LPN转换成PPN，获取到对应的页，但是缺点是要为每一个page维护一个映射条目，例如512GB的SSD和2KB的page，就需要256MB的映射表。
块映射的映射表占用空间较小，同上面的例子，512GB的SSD和2KB的page，一个block包含512个page，所以仅需要512KB的映射表。但是块映射的灵活性差，例如对某个block中的第p个page更新，就需要找到另一个blcok，并且该block的page是erased，这会降低到目的block的概率，并且降低性能。
为中和页映射和块映射的优缺点，提出混合映射的结构。以前SSD采用如图2的混合映射，即将Flash中的block分成Data Block和 Log Block，前置采用块映射记录全量的数据，后者采用页映射记录增量的数据。GC的时候就将Data Block和Log Block合并。

图 2 DFTL认为应该合并Data Block和Log Block 可能会导致性能低下，所以应该完全抛弃Log Block，全部采用页映射。通过局部性原理，将全量的映射条目存放在Flash，部分经常使用的映射条目放在SRAM，如图3所示。当在SRAM中没有命中映射条目时，从Flash中取出需要的映射条目并缓存到SRAM；当SRAM空间不足以存放更多条目时，利用LRU算法把最近最少使用的映射条目放回到SRAM。由于全量的映射条目放在Flash的page中，那么当SRAM没有命中时，如何找到映射条目存放在哪一个page呢？这里涉及了一个GTD(Global Translation Directory) 用于记录存储映射条目的page的映射关系，也就是通过这个可以找到需要的映射条目所在物理页面。

图 3

现代SSD广泛使用DFTL，DFTL的核心思想是利用局部性原理，将可能访问的映射条目放在SRAM，全量的映射条目放在Flash，所以其性能与命中率密切相关。

参考：
【1】DFTL: A Flash Translation Layer Employing Demand-based Selective Caching of Page-level Address Mappings