作者：李大虾
本节主要说明Power off Recovery（POR）的由来和对它的一点点见解。POR基本上可以分为硬件限制导致的POR和软件流程所需要的POR。硬件限制导致的POR，我们暂时叫做HPOR，软件流程所需的POR，我们也暂时叫做SPOR。根据经验来看，HPOR普遍的是突然掉电带来ECC错误，一方面是硬件电路设计上在Nand Power上增加一定容量的电容，或者是检查到电压不足拉低WP，尽量让当前写操作完成，更甚增加类似Nor设备代替RAM来存储需要掉电保护的数据；另一方面是类似MLC Nand带来的Paired Page在掉电中的问题，需要软件上备份加恢复的方式处理，处理方式包括ECC错误Page的丢弃以及最后掉电的Block中好数据的搬移等。如下图示意，在Program操作被恶意中断之后，损坏的不仅仅是当前Program的High Page（MSB），还有可能是它的Paired Low Page（LSB）。目前普遍可能解决方法是（1）只写LSB或MSB；（2）写MSB时候备份LSB，达到Open Block（Block未写满）最小填充条件，之前备份写入的Page就可以变脏回收；（3）一次性写到Open Block所要求的填充条件，有的甚至用Block作为写单位，写满的Block叫做Close Block。后面将通过自适应的Paired Page预备份方法具体介绍这种POR。
SPOR基本上是FTL使用RAM当作Cache来管理的Side Effect。之所以用Cache进行局部缓存的原因是为了加快访问速度，比如缓存频繁更新的Mapping Table等，所以在突然掉电的情况下，Cache里的数据就会丢失，因此就需要软件机制来恢复这种丢失，也属于FTL设计中的一个环节。我称之该过程为”破闭环”。一般情况下，是带FTL格式的用户数据已经写入到Nand中，而此时Mapping Table还可能在RAM中，为了避免下次恢复时间过长，一般会设定一定数目的Block数据可以恢复程序扫描，同时这些将要被扫描的Block尽量不要发生GC操作，否则很可能当做下一个要写入的块，这样就形成了一个闭环，由于恢复过程跟写入时间前后有关，因此很容易引入问题。这时候就有另一个设计叫Commit过程，目的是避免闭环产生，将RAM中的数据写入到Nand中去。Commit条件除了闭环条件以外，还有缓存空间不足导致的置换，设备或文件关闭或者用户强制执行Flush操作带来的动作。实际应用中，Commit FTL Meta Data和User Data Flush是分开的，而Commit动作只针对FTL Meta Data，当然设计是灵活的，也不是一定不可以Flush User Data。以上破闭环过程示意如下，下图说复杂不复杂，说简单也不简单，经验来讲SPOR的过程越纯粹简单带来的问题越少，而往往越简单越有效的流程越难设计。但我觉得”破闭环”是一个值得遵循的方法，这样就不会出错，否则人民群众会仇恨你，你的朋友嘲笑你，你的家人也会唾弃你。
下面将具体针对两种POR方法研究，希望能带来借鉴意义。一种是针对HPOR的MLC Paired Page预备份方法，另一种是针对SPOR的突然掉电恢复设计。虽然MLC的这种Paired Page设计属于早期产品，慢慢地被更高制程，且类似于TLC的pSLC方式所代替，但是历史也可以明智。SPOR的突然掉电设计却具有普适性，其中考虑的运行过程和重启恢复过程时间效率因素，以及RAM中数据的主动和被动同步处理策略，被动同步可能由于RAM的空间不足导致，而主动同步是在一定规则之下，比如配置一定Block写完后进行一次同步。
MLC Paired Page Backup方式带来的一个重要问题就是写延迟，一方面要考虑Write Request中的Pages是否包含了Paired Page，如果包含则LSB Page就无须再Backup；另一方面则考虑LSB Page是否已经变为Invalid，如果变为Invalid则也无须再Backup。下面的预备份方法就是从降低Backup Overhead和写延迟方面解决问题，根据数据大小包括三个技术：
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Interleaving Prebackup：这是利用提供并行多通道访问的Nand条件下的技术，如果空闲通道可以提供2倍的当前Write Request数据量大小，那么此时就可以Write Request和Backup LSB同时进行，这样增加通道的使用率使得Backup操作没有Overhead，也就是说Write Latency = 0。然后只要MSB Page写入之后就立马将Backup Block中该MSB对应的LSB Page置成Invalid。如下图所示：
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Copyback Prebackup：如果没有上述的空闲通道，且数据量介于所有通道的1/2数据量和所有通道满载之间（包括满载）。Nand Flash的Copyback操作将紧接着这次Write Request之后，将LSB Page拷贝到Backup Block中去，这种方法的Write Latency = LSB Copyback Time。其中的过程如下图所示：
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Parity Page Prebackup：如果写入数据量大于通道满载时候的数据量。这时候上面两种方式都不可行了，使用第（1）种方式没有多余的通道，使用第（2）种方式是因为这笔Write Request还没写完，强制使用也会导致写延迟。因此有了第（3）种方式Parity Page Prebackup，也就是每两个LSB Page产生一个Parity Data Page进行Backup。如下图所示，FTL的这笔Write Request包含D0、D1、D2、D3四个Page数据，首先写入D0和D1，紧接着写入D2和D3，这时候Cache Buffer里面是D2和D3，再把D0和D1读回到Page Buffer中，利用Nand Flash的XOR电路生成Parity Backup Page，这种方法的Write Latency = LSB Read + Write Time。其中的过程如下图所示：
为了掉电导致数据出错并且降低Write Latency的方法介绍完了，接下来说一说该如何恢复？如下图所示，假设LSB A和C在掉电过程中导致损坏，那么查找Backup Block，找到A和C，其中C是是Parity Backup Page，理由是PF（Parity Flag）标志为1。然后找到A在Page 0，并将数据拷贝到新的Block，即Page 18的位置，更新Mapping Table；然后C通过读取Page 1和B所在的Page 14的数据进行XOR后写入到Page 19，更新Mapping Table。到此以例说明HPOR结束，如有讨论，请联系李大虾（mailto:lishizelibin@163.com）或关注微信公众号大虾谈（DaXiaTalking）。
针对SPOR下面将先介绍一种叫确定性崩溃恢复（DCR）方案，它包含三种数据崩溃类型：阶段1叫正常崩溃，阶段2叫GC崩溃，阶段3叫WL崩溃。所谓正常崩溃就是在正常的Nand Driver和Nand Chip之间读写擦操作中掉电导致，在Commit点（也叫检查点）之后去读每个Block的每个Page，从Spare区或者定义的Header上找到对应的逻辑映射的Cluster/Block/Page/Sector（具体是哪一种根据Mapping定义） Number，如果某个Block没有有效数据该块可以置为空闲块，如果某个Block读到ECC Error，则将前面的数据搬移到好的块中，该块同样置为空闲块，然后就根据Mapping表的定义规则更新Mapping表。GC崩溃发生在GC操作中，一种简单暴力避免GC操作恢复的方法是每笔GC结束就进行Commit，另一种则是保留一定Block给GC掉电恢复用，Block用完再Commit，因此掉电恢复过程中也要重演GC操作，恢复方法和正常崩溃一样。下面有一个问题，在掉电恢复过程中再次掉电会发生什么样的故事呢？一般故事都是这样发展，先不要去动这次恢复的Block，当恢复完成后再去真正置为空闲块的信息写入到Flash中去。最后WL崩溃基本上和GC崩溃处理方法是一样的，在GC/WL章节也曾叙述过二者合一的做法。综上所述，如果能对掉电点做到确定性，掉电恢复的设计便能做到正确性。
基本上SPOR的方法都是如此类似，接下来请准备记知识点，流程总结如下：首先我们定义将要做POR的Block叫做Log Block，根据Erase Sequence或者叫Timestamp来对这些Log Block按时间排序，然后通过Scan找到最后一个Commit Point或者叫Check Point，如果没有找到则认为这是一个空Flash，或者还没来得及Commit就掉电了，前者需要Construct一个空的Commit Point，后者则Construct这些没来得及做Commit Point的数据，Construct结束后直接Commit即可；如果找到Commit Point则对Commit Point之后的Block/Page做Replay（这个词来源于UBIFS，重演的意思，很是贴切）动作，也就是读取每个Page然后更新Mapping Table，如果需要Redo GC/WL也可以做，做法同前面正常Block Replay，最后一步是Last Open Block检查，这点很重要，因为这个Block很可能是掉电的点，变得很不稳定，也可能某个Page正在写时掉电，这次读检查很可能会发生ECC Error，因此需要将它前面有效的数据搬离到其他Good Block中去，避免多次POR后，这个ECC Error Page前面的Page也变成了ECC Error Page，那是很糟糕的，千万不要这样。
