由于闪存的可擦写次数是有限的,当某些数据被频繁修改时容易导致对应的块很快被耗尽使用寿命,从而导致整块盘无法使用,所以需要有一种技术来将这些块的擦写均摊一下,延长使用寿命。
首先看几个相关的基本概念:
因为闪存不能覆盖写,如果要修改已有的数据需要将原有的数据擦除再写入新的数据。
被频繁修改的数据很烫,叫做热数据
而写入以后就很少修改的数据无人问津就像打入了冷宫一样,叫做冷数据。
写入的最小单位叫做page,大小为 512 – 4,096 bytes
擦除(erase)的最小单位是block,包含多个page(一般为128个)
一次对磁盘完整的写入或擦除叫做一个PE cycle(Program/Erase Cycle),PE cycle表示了盘的寿命,是一个有限的值,比如3000. 注意,一个PE cycle是对整块盘的擦写来写来计算的,不是一个block的擦写。
已擦写次数较少的block,还很年轻,生命力强,所以叫做Young block。相对的 Old block就是已擦写次数较多的block,剩下的次数不多了。
NAND FLASH LAYOUT, 注意page和block就行了闪存又贵还擦写次数那么有限的,这还怎么玩?于是有了Wear Leveling这样的技术通过磨损均衡来延长闪存的寿命。
无模糊均衡和有磨损均衡的对比在没有wear leveling的情况下,某些block很可能会被频繁的反复擦写,最终报废,降低了闪存的寿命。Wear Leveling技术就是将擦写操作均摊到各个block,以防止某些block被提前耗尽使用寿命。
Wear Leveling技术按算法分为动态和静态,按作为域分为本地和全局:
- Dynamic Wear Leveling 动态磨损均衡
当需要覆盖写的时候,新的数据写到free的page上,而旧的数据被标记为invalid,等待垃圾回收擦除。
动态磨损均衡示意图从上图中可以看出2nd WRITE失去改写LBA#6的数据,被写到了新分配的page并不是直接在原page上做修改。3rd WRITE也是同理,到Nth WRITE,数据已经被改写了N次,但是垃圾回收还没有发生,所以有很多的Invalid page。
对比上图垃圾回收的左右两个图,可以看到垃圾回收把Invalid的page都擦除了,而且数据LBA#6也被搬移到了新的block。这是因为就像开头说的,闪存擦除的最小单位是block,所以当block中有用户数据的时候是需要迁移的。
弊端:动态磨损均衡有一个明显的弊端是,当一个数据是冷数据,放在那里N久都没被修改的情况下,他所占用的block擦写次数很少,但是又不能拿来做磨损均衡。
2. Static Wear Leveling 静态磨损均衡
Static Wear Leveling 会把所有block包括没被写入和包含冷数据的block都纳入到磨损均衡中。如果冷数据是在擦写次数少的young block中,会把数据迁移到擦写次数较多的old block中。这样young block就可以放到free block池中接收新数据的写入。
静态磨损均衡示意图动态和静态对比:
动态和静态模糊均衡对比表格 动态和静态磨损均衡作用范围对比3. Global Wear Leveling 全局磨损均衡
动态和静态磨损均衡按照作用范围都可以分为本地和全局磨损均衡。本地(Local),只是在当前盘中均衡,而全局(Global)能够将系统中所有盘纳入均衡。
本地模糊均衡示意图如上图,在local均衡的情况下,虽然右边的盘仍然有可用的block,但是左边的盘由于坏块太多已经进入了写保护。
全局模糊均衡示意图同样的情况,在全局磨损均衡下,盘为统一管理,可以使用右盘的备用block替换,避免了左盘进入写保护。
静态+全局磨损均衡虽然设计更为复杂,系统开销更大,但是能对磁盘达到更好的保护,因此也是主流全闪存存储的实现方式。
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