快閃記憶體轉換層

快閃記憶體(Flash Memory)具有以下的硬體特性：一個記憶單元經過寫入(program)，將可由邏輯1變成邏輯0，但無法再經由寫入將此單元回復到邏輯1，需經過抹除(erase)才可回復邏輯1。一般快閃記憶體中抹除的最小單位稱為block，讀取(read)和寫入的最小單位稱為sector，一個block的大小遠大於一個sector。抹除的操作時間一般大於讀取和寫入的操作時間。

基本介紹

• 中文名：快閃記憶體轉換層
• 外文名：Flash Memory

簡介

快閃記憶體(Flash Memory)具有以下的硬體特性：

• 一個記憶單元經過寫入(program)，將可由邏輯1變成邏輯0，但無法再經由寫入將此單元回復到邏輯1，需經過抹除(erase)才可回復邏輯1。
  
• 一般快閃記憶體中抹除的最小單位稱為block，讀取(read)和寫入的最小單位稱為sector，一個block的大小遠大於一個sector。
  
• 抹除的操作時間一般大於讀取和寫入的操作時間。
  

因為以上的硬體特性，快閃記憶體的寫入往往需要耗費大量的時間在抹除操作上。因此在快閃記憶體檔案系統中，會經由快閃記憶體轉換層(Flash Translation Layer)來進行對讀、寫、抹除操作的管理。 一般快閃記憶體轉換層需要包含的功能有：

• Logical-to-physical address mapping
  
• 斷電回復(Power-off recovery)
  
• 耗損平均(Wear-leveling)
  

Logical-to-physical address mapping

快閃記憶體轉換層(Flash Translation Layer)中最核心的部分，是logical-to-physical address mapping table。由快閃記憶體的硬體特性可知，一個已寫入的sector，需經過抹除後，方可再寫入(reprogram)新的資料。然而，抹除的最小單位block卻遠大於寫入的最小單位sector，即使只是想要更新一個block當中某一個sector的資料，我們仍需要做整個block的抹除。此時，若想要保存此block中其他sector的資料，則需要在抹除前事先搬移到其他block，若有n次搬移需進行，則將再花費n次read以及n次program的操作，耗費相當多的時間。
因此，快閃記憶體轉換層中運用了logical-to-physical address mapping table，當某個logical sector所對應到的physical sector中已寫入資料時，FTL會將此寫入資料導向到另外一個空的physical sector當中，並將此logical與physical sector的對應關係，更新到mapping table當中。若要讀取此logical sector的資料時，FTL會根據mapping table當中的資訊，找到所對應的physical sector。
在實作上，logical-to-physical address mapping的設計將決定對快閃記憶體的操作效率。其中，若抹除的次數越多，則快閃記憶體檔案系統的效能將會越差。另外，在嵌入式的套用中，許多設計是將mapping table存放在RAM memory中，因此mapping table的大小也是在設計時的考量重點。
依照address mapping設計方式的不同，可分成以下三大類：

• Sector Mapping
  

在sector mapping的方式中，每一個logical sector，都可以對應到一個physical sector。此方式具有最好的快閃記憶體存取效率，但缺點是mapping table的大小將會很大。對於嵌入式的套用而言，RAM memory是昂貴的資源，越大的mapping table，將導致越高的成本。

• Block Mapping
  

在block mapping的方式中，每一個logical block對應到一個physical block。在block mapping方式中，mapping table只記錄了logical block和physical block的對應資訊，因此mapping table的大小減少很多。而要找到一個logical sector所對應到的physical sector時，只要找到在對應的physical block中同樣offset的位置即可。

• Hybrid Mapping
  

在hybrid mapping的方式中，同時使用了block與sector mapping的方式。