可可读OpenChannelSSD之四_pblk

Pblk: Physical Block Device

物理块设备（pblk）是LightNVM target，实现了完全关联的基于主机的FTL，该FTL公开了传统的块I/O接口。本质上，pblk的主要职责是:

1. 处理控制器和特定介质之间的约束 （例如，缓存必要的数据量来对Flash页进行编程）
2. 将逻辑地址映射到物理地址（4KB粒度），并确保完整性，最终在面对关联映射表（L2P）崩溃时进行恢复
3. 处理错误
4. 实现垃圾回收
5. 处理flush操作：因为典型的闪存页面大于4KB，flush会强制pblk的运行中数据在完成之前存储在设备上，文件系统或应用程序可能需要它

Write Buffering

写缓冲由host进行管理，写缓冲区作为圆环缓冲区进行管理。它在内部分解为两个缓冲区：一个数据缓冲区，用于存储4KB用户数据入口（4KB对应于一个扇区的大小），以及上下文缓冲区，用于存储Perentry元数据。缓冲区的大小是闪存页大小（FPSZ），要写入的闪存页数（下/上页）和PU数（N）的乘积。 例如，如果FPSZ = 64KB，PP = 8，N = 128，则写缓冲区为64MB。写缓冲区由多个产生者和单个使用者访问。

产生者： pblk用户和pblk自己的垃圾收集器都会将I/O作为entry插入写缓冲区。 写入新条目时，将使用条目行更新L2P表，并确认写入。 如果缓冲区已满，则重新安排写入。 如果传递进来的逻辑地址的映射已经存在，则旧条目将无效。

使用者：当有足够的数据填充闪存页面或发出刷新命令时，单个线程将使用缓冲的entries。如果使用multi-plane编程，则还必须考虑plane的数量（例如，具有四个plane编程的16KB页面一次写入需要64KB chunks）。此时，逻辑地址已映射到物理地址（逻辑的chunk->Pus的映射）。 默认情况下，pblk的映射策略针对吞吐量和跨channel和PUs的条带化数据，采用page-mapping。可以使用其他data placement策略。 映射发生后，将形成vector写命令并将其发送到设备上， 需要注意，在刷新的情况下，如果没有足够的数据填充闪存页面，则pblk在发送到设备之前会在写入命令中添加padding（即未映射的数据）。

为了遵守下/上页面对，在映射页面时不修改L2P表。 这样，读取将定向到写入缓冲区，直到所有页对都已保留。 发生这种情况时，将使用物理地址更新L2P表。

用于映射传入的I/O的channel和PUs的数量可以在运行时调整，将它们称为active PUs。
例如，考虑具有4个channel 和8 PUs/Channel的open-channel SSD上有4个active PUs。 首先，PU0，PU8，PU16和PU24处于active状态，page以循环方式(round-robin)写在这些PU上。 当PU0上的一个block填满时，该PU变为inactive状态，PU1接管为active PU。 在任何时间点，只有4个PU处于active状态，但是数据仍以page granularity在所有可用PU上进行条带化。

当应用程序或文件系统发出刷新命令时，pblk确保将所有未完成的数据写入介质。使用者线程清空写缓冲区，并在必要时使用padding来填充最后一个闪存page。 随着数据的保留，最后的写命令将保留一个额外的注释，该注释指示必须在刷新成功之前完成它。

Pblk: Data Placement

• 完全关联的L2P表
  • 映射粒度4KB(1GB per 1TB)
• 预填充的bitmap encoding map
  • bitmap编码不良块和元数据
  • 在快速路径上节省昂贵的计算(division/modulus)
• L2P映射与I/O scheduling分离
  • 轻松添加新的映射策略
  • 简化错误的处理
  • 不一定会影响磁盘格式
  • 默认：
    • 跨channels和LUNs进行条带化以优化吞吐量
    • 元数据在每个line的开头和结尾

Pblk: I/O Scheduling

• 目标
  • 充分利用介质带宽
    • 例如：1 core (E5-2620, 2.4GHz) can move ~3.7GB/s
  • 最小化达到稳态的影响
  • 根据设备的容量对用户和GC I/O进行速率限制
• 单个写线程
  • 在映射缓冲区entries时提交用户写的I/O
  • 提交前一line元数据的写入I/O
    • 与用户数据保持一致，以最大程度地减少干扰
  • 提交擦除I/O用于下一line
    • 与用户数据保持一致，以最大程度地减少干扰
    • 在所有lines上分配擦除价格

Pblk: Mapping Table Recovery

Pblk: Error Handling

Pblk: Garbage Collection

• 基于有效sector数的基于成本的回收模式
• 在一line中将X LUNs专用于GC
  • 速率限制用户I/O是设备容量的函数
  • GC专用写缓冲区（共享缓冲区容量的百分比）
  • 在line上分开热/冷数据
• 两种可用的GC模式
  • 使用host的CPU来搬移数据
    • 几个GC读取线程
    • 将数据复制到GC缓冲区
    • 在写线程中提交GC I/O
  • 可选：使用vector复制命令

任何log-structured的FTL，pblk必须实现垃圾收集。通过垃圾回收任何有效页并返回块以进行新写入来重新利用块。假定在设备上或在LightNVM内核中发生了Wear-leveling。 因此，pblk只需为每个块维护一个有效页数，然后选择有效扇区数最少的块进行回收。

逻辑到物理映射表的逆序未存储在host内存中。 为了找到反向映射，利用了一个事实，即块在完全写入后首先被回收。 因此，可以使用存储的部分L2P表在块的最后一页上进行恢复。 如果该块中的页面仍然有效，则将其排队等待重写。 安全地重写了所有页面后，原始块将被回收。

为了防止用户I/Os干扰垃圾回收，pblk实现了PID控制的速率限制器，其反馈循环基于可用空闲块的总数。当可用块的数量低于可配置的阈值时，GC将启动。 注意也可以从sysfs管理GC。刚开始，GC和用户I/O都在争夺写缓冲区。 但是，随着可用块数量的减少，GC会被优先排序，以确保已经持久保存的数据的一致性。反馈循环可确保传入的I/O和GC I/O趋于稳定状态，在此状态下，给定用户I/O工作负载，将应用足够的垃圾回收。速率限制器使用写缓冲区entry作为控制传入I/O的方法。 根据反馈回路保留条目。 如果设备达到其容量，则用户I/O将被完全禁用，直到有足够的可用块可用。