块设备驱动(2)—EMMC磨损均衡、概念及优化路线

1.磨损均衡相关概念

块合并、磨损均衡（Wear Leveling）、runtime gc 、后台GC 垃圾回收、写放大(WA，Write Amplification)

2.什么是坏块

在SSD中，每个闪存单元都有一定的寿命，通常为几万次到几百万次的写入。当一个单元被写满时，它就会被标记为“坏块”，不再用于存储数据

坏块出现的四种情况：

出厂时的坏块

操作过程中由擦除失败造成的

擦除过程中写入操作失败引起的

出现超出ECC校验算法纠正能力的错误时，也认为出现了坏块

3.磨损均衡的作用及概念

磨损均衡用于平衡SSD闪存单元磨损的技术，它的作用是尽可能将数据均匀地分布在各个闪存单元中，从而延长SSD的使用寿命

SSD将block-page分为有效页(vaild)、脏页(invaild)、空闲页(free)。有效页中存放有效数据，脏页中存放无效数据，空闲页是经过擦除后可以直接用于写入数据的页。

我们常用的操作就是读、写、改，其中读的操作不会影响Nand的寿命，写空闲块其实不需要擦除，改需要擦除操作，每个块擦除次数是有限的，那如何延长寿命呢？

改数据后重新写入擦除较小的块中，不擦除

当一个block的脏页太多时去擦除（可以结合映射表统计使用空闲情况和数据量）

写入新数据找到擦除数较小的块中、或者要存满的block中

4.动态磨损均衡（Dynamic Wear Leveling）

当写入新数据（覆盖写）的时候，数据直接写到空闲页上，并且旧数据所在页直接标记invaild，等待垃圾回收把invaild页擦除。

**弊端：**当一个数据是冷数据，许久都没修改的情况，所占的block擦鞋次数很少，但是又无法拿来做摩擦均衡

5.静态磨损均衡（Static Wear Leveling）

静态磨损均衡会把所有block纳入磨损均衡，如果冷数据是在擦鞋次数少的young block中，会把数据迁移到次数较多的old block中，这样young block就可以放到free block中接收新数据写入

6.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。

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。

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。

7.垃圾回收GC机制（Garbage Collection）

闪存块不能覆盖写，当写人一笔新的数据时，不能直接在老地方更改(闪存不允许在一个闪存页(Page)上重复写人，一次擦除只能写人一次)，必须写到一个新的位置，因此，FW (FirmWare，固件)需要维护一张逻辑地址到物理地址的映射表。另外，往一个新的位置写人数据，会导致老位置上的数据无效化，这些数据就变为了垃圾数据。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，这就是GC (Garbage Collection，垃圾回收)

OP比例=(闪存空间一用户空间)/用户空间

为提升性能和耐用性而保留的未分配空间的比例，所以预留一部分空间不去分配

WA 写放大