闪存潜规则：你的毛病比方案重要

大家好，我是五月。

前言

目前绝大数存储设备都是以闪存为存储介质的，内部许多固件算法方案都是在为闪存服务的。

无论是什么算法，都是遵循着Flash的特性为前提的。

那闪存究竟有哪些潜规则的特性呢?

先擦后写

闪存块（Block）是不能覆盖写的，它不允许开发者在一个地方上重复写入，必须先擦除一遍才行。

一般来说，当有一笔数据写入的数据，都是安排写到新的地址空间上，当你实在不清楚一个地址究竟有没有有效数据的时候，稳妥的做法一般都是先擦除一遍再写入。

整page写入，整Block擦除

闪存允许最小的写入单位就是page，最少写入的数据量都得是1个page。

FTL算法中有一个基本操作，会把主机Host传下来的数据凑成1page，再写入Flash中，不足1page的，就放在Dbuf中，等待下一次数据来凑成1page，再写入Flash中。

闪存允许擦除的基本单位是1个Block，只要发生了擦除操作，那么这一整个Block的数据都会被清除掉，所以我们一般不会轻易做整块擦除。

解决办法：当有一笔新数据下来的时候，会把数据放在新的物理地址上，这样做一来是为了不轻易做擦除操作，避免失误擦除掉了有效数据，二来也避免在同一个物理地址上做重复的擦写，过快消耗闪存块寿命。

写入数据需要随机化

我们写的时候，如果简单把数据写进去，会遇到很多错误，有时候是写失败，有时候是读出来数据不对。

这是由于闪存存储电子的工作模式导致的，其对数据写入的样式特别敏感，如果不断地写入全0或者全1，容易导致内部电荷量不足，造成信号抗干扰性下降。

直观的现象就是你会发现某些数据bit位发生了翻转。

解决办法：写入数据前需要先将数据做随机化处理，也就是打乱数据，使得0和1的分布均匀。

但是打乱也不是随便打乱的，它会以某种方式进行随机化处理写入flash，读取数据的时候，会先进行一次反随机化处理，得到真实数据。

数据写满整个Block才会稳定

闪存还有个奇怪的特性，就是数据你必须得写满一整个块，这个块的数据才会稳定下来。

但是很多时候，我们没有那么多数据正正好好去写满一整个Block。

解决办法：为了保证写入数据稳定，我们写入一笔数据后，会额外写入几页数据，目的就是让写入的那笔数据保持稳定，而额外写入的几页数据，称之为附加逻辑页数据。

闪存块都有一定的寿命

每一次写和擦，都会对闪存块造成磨损，磨损久了，闪存块也就坏掉了。其寿命是用PE（擦写次数）来衡量的。

在使用中，我们尽量避免集中在同一片区域上重复擦写，不然这片区域的块很快就磨损没了。

解决办法：FTL中需要做一个磨损平衡的处理，让所有的Block都来均摊数据的写入。

将数据分担到其他的Block上，让每一个Block都磨损的平均些，既可以保证闪存有最大数据写入量，还能延长闪存的寿命。

每个闪存块读次数是有限的

除了有擦写次数限制，闪存块还有读次数的限制，读取的次数多了，数据便会出错，这种现象称之为读干扰现象。

解决办法：FTL算法需要做一个读干扰处理，当某个Block的读次数达到一定的阈值时，就把数据从该Block上搬移到新的Block上。

数据保持会丢失

闪存能存储数据的原理就是电荷的存储，但是电荷是流动不定的，时间一旦久了，电荷就会流失，反映出来的现象就是数据的丢失。

这个时间不好说，长则十多年，短则几年，几个月，甚至更短。

如果是在高温的环境下，电荷流失的速度会更快。

解决办法：FTL算法需要做一个扫描处理，去发现是否有数据保持丢失的问题，如果发现了，立马将数据搬移到新的位置，未雨绸缪。

坏块产生不可避免

闪存出现坏块这是无法避免的，有的是出厂的时候就有的坏块，有的是闪存在使用中产生的坏块。

坏块的症状就是擦除失败，或者写失败，或者读失败（ECC纠错纠不过来）。

解决办法：FTL算法需要做一个坏块管理的处理，对坏块打上坏块标记，在使用的时候就不要用这些坏块了，挑好的Block用。

对于MLC或TLC而言，存在下页损坏问题

对于MLC，一个worlLine存在Upper page和Lower page；

对于TLC，一个worlLine存在Upper page、Extra page和Lower page；

在写入时，如果发生意外，比如异常掉电这些，Lower page上成功写入的数据会被破坏掉。

解决办法：一个办法是在电路上加上电容，一旦发生异常掉电，让电容开始放电，在这段时间将数据保存起来，并且开启正常掉电流程。

还有一个办法是在FTL算法中需要做一个掉电恢复的处理，通过重建映射表将丢失的数据恢复回来。

一般无论有没有电容，FTL中都会带有一个异常掉电处理模块。

小结

闪存存在这么多的毛病，但是依旧抵挡不住各大存储领域的企业入局去研究其毛病，毕竟，一切方案，都是以特性未前提的，先明白了特性，才能有解决方案。

好了，这次先写到这儿，祝各位生活愉快。