SSD学习小结(三)FTL

FTL是SSD固件的核心组成。

FTL是Flash Translation Layer（闪存转换层）的缩写，完成主机（或者用户，Host）逻辑地址空间到闪存（Flash）物理地址空间的翻译（Translation），或者说映射（Mapping）。SSD每把一笔用户逻辑数据写入闪存地址空间，便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，从闪存读取这笔数据然后返回给用户。

由于闪存的特性，Block不能覆盖写，需要先擦除才能写入，当写入一个新数据时，不能直接在老地方改写，（闪存不允许在一个闪存页（Page）上重复写入，一次擦除只能写入一次），必须写到一个新的位置。SSD的FW（firmware固件）会维护一张逻辑地址->物理地址转换的映射表。 往一个新的位置写入数据，则原有老位置上的数据会被标记为无效，这些数据自然就变成了垃圾数据。

垃圾回收：垃圾数据会占用闪存空间，当闪存可用空间不够时，FTL需要做垃圾回收，即把若干个闪存块上的有效数据搬出，写到某个新的闪存块，然后把这些之前的闪存块擦除，得到可用的闪存块。

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FTL分为Host Based（基于主机）和Device Based（基于设备）。Host Based表示的是，FTL是在Host（主机）端实现的，用的是自己计算机的CPU和内存资源。

​ Device Based表示的是，FTL是在Device（设备）端实现的，用的是SSD上的控制器和RAM资源。目前主流的SSD中的FTL都是在设备端实现的。

垃圾回收

垃圾回收就是把某个闪存块上的有效数据（下图中的浅色方块）读出来，重新写入，然后把该闪存块擦除，就可以得到新的可用的闪存块。

上图中Block x上面有效数据为A、B、C, Block y上面有效数据为D、E、F、G，其余方块为无效数据。垃圾回收机制就是先找一个可用Block z，然后把Blockx和Block y的有效数据搬移到Block z上面去，这样Block x和Block y上面就没有任何有效数据，可以擦除变成两个可用的闪存块

擦除垃圾数据块得到可用数据块：

为什么SSD的随机写比较慢？

从上面描述的垃圾回收看，如果用户是顺序写，垃圾数据块会比较集中，有利于SSD做垃圾回收；但是如果是随机写的话，产生的无效数据块比较分散，SSD做垃圾回收相对就更慢。因此，SSD的GC性能跟用户写入数据的模式（随机写还是顺序写）也是密切相关的。

写放大

由于GC的存在和闪存块本身的特性，Block不能覆盖写，往往导致SSD往闪存中写入的数据量比用户要写入SSD的数据量多。SSD中一个重要参数就是写放大：

写放大越大，意味着额外写入闪存的数据越多，一方面磨损闪存，减少SSD寿命，另一方面，写入这些额外数据会占用底层闪存带宽，影响SSD性能。因此，SSD设计的一个目标是让WA尽量小。减小写放大，可以使用前面提到的压缩办法（主控决定），顺序写也可以减小写放大（垃圾集中，但顺序写可遇不可求，取决于用户Workload），还有就是增大OP（预留空间）。

OP越大，每个闪存块有效数据越少，垃圾越多，因此需要重写更少的数据，写放大也越小

​ OP大小对写放大和耐写度的影响

垃圾回收简单分为三步:

(1) 挑选源闪存块

(2) 从源闪存块中找到有效数据

(3) 把有效数据写入到目标闪存块

挑选源闪存块，一个常见的算法就是挑选有效数据最小的块。方法是通过固件i写用户数据时，记录和维护每个用户闪存块的有效数据量。即用户每往一个新的块上写入一笔用户数据，该闪存块上的有效数据数就+1，同时这个数据之前所在的块，有效数据量-1。

这样在GC的时候可以快速找到有效数据最少的那个块，挑选有效数据最少的那个块作为源闪存块，这种BPA算法叫作Greedy算法，是绝大多数SSD采用的一种策略。