我們來假設模擬一個小型的模型來分析寫和垃圾回收的過程
假設只有一個die，4個block，每個block4個page，每個page8KB
那么PageMap就是Page[0][0]到Page[0][15]
BlockMap就是Block[0][0]到Block[0][3]
GcMap就是GC[0][0]到GC[0][4]
那么最初就會如下圖：第零塊用來保留元數據，最后一塊保留作為垃圾回收合並塊
接下來從上層來了數據，黃色部分表示更改的數據，紅色部分表示更新的數據，最左側是流程
在這里，lpn0的內容作為page緩存留在SDRAM里面，只把lpn1的內容存入flash
接下來更改的數據緩存命中了，所以lpn0的內容直接在SDRAM里面修改，此時數據末尾剛好占據了一個頁，所以直接存入flash，並把之前的保存頁無效，此時GC表開始變化
接下來依舊緩存命中，但是請求最后一頁並不是完整的一頁，於是先預讀出其中的內容，修改之后尋找新頁再保存進flash
這一次的緩存並沒有命中，所以先把SDRAM里面的內容flush進SDRAM里面，因為請求並不滿足一頁，所以執行read-modify-write，此時lpn1作為新的page緩存，並不直接存進flash而是保留在SDRAM中
緩存依舊不命中，此時block1已經沒有頁面可用了，於是找到了下一個空閑block，先flush，然后更新page緩存，將lpn1的內容存入flash
接下來緩存不命中，並且消耗掉了所有的頁面，於是lpn3的內容無處存取，引發垃圾回收操作
垃圾回收操作的依據是元數據的更新，因此我們來看元數據更新的代碼
1 void UpdateMetaForOverwrite(u32 lpn) 2 { 3 pageMap = (struct pmArray*)(PAGE_MAP_ADDR); 4 blockMap = (struct bmArray*)(BLOCK_MAP_ADDR); 5 gcMap = (struct gcArray*)(GC_MAP_ADDR); 6 7 u32 dieNo = lpn % DIE_NUM; 8 u32 dieLpn = lpn / DIE_NUM; 9 10 if(pageMap->pmEntry[dieNo][dieLpn].ppn != 0xffffffff) 11 { 12 // GC victim block list management 13 u32 diePbn = pageMap->pmEntry[dieNo][dieLpn].ppn / PAGE_NUM_PER_BLOCK; 14 15 // unlink 16 if((blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].nextBlock != 0xffffffff) && (blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].prevBlock != 0xffffffff)) 17 { 18 blockMap->bmEntry[dieNo][blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].prevBlock].nextBlock = blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].nextBlock; 19 blockMap->bmEntry[dieNo][blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].nextBlock].prevBlock = blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].prevBlock; 20 } 21 else if((blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].nextBlock == 0xffffffff) && (blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].prevBlock != 0xffffffff)) 22 { 23 blockMap->bmEntry[dieNo][blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].prevBlock].nextBlock = 0xffffffff; 24 gcMap->gcEntry[dieNo][blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].invalidPageCnt].tail = blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].prevBlock; 25 } 26 else if((blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].nextBlock != 0xffffffff) && (blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].prevBlock == 0xffffffff)) 27 { 28 blockMap->bmEntry[dieNo][blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].nextBlock].prevBlock = 0xffffffff; 29 gcMap->gcEntry[dieNo][blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].invalidPageCnt].head = blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].nextBlock; 30 } 31 else 32 { 33 gcMap->gcEntry[dieNo][blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].invalidPageCnt].head = 0xffffffff; 34 gcMap->gcEntry[dieNo][blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].invalidPageCnt].tail = 0xffffffff; 35 } 36 37 // xil_printf("[unlink] dieNo = %d, invalidPageCnt= %d, diePbn= %d, blockMap.prevBlock= %d, blockMap.nextBlock= %d, gcMap.head= %d, gcMap.tail= %d\r\n", dieNo, blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].invalidPageCnt, diePbn, blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].prevBlock, blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].nextBlock, gcMap->gcEntry[dieNo][blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].invalidPageCnt].head, gcMap->gcEntry[dieNo][blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].invalidPageCnt].tail); 38 39 // invalidation update 40 pageMap->pmEntry[dieNo][pageMap->pmEntry[dieNo][dieLpn].ppn].valid = 0; 41 blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].invalidPageCnt++; 42 43 // insertion 44 if(gcMap->gcEntry[dieNo][blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].invalidPageCnt].tail != 0xffffffff) 45 { 46 blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].prevBlock = gcMap->gcEntry[dieNo][blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].invalidPageCnt].tail; 47 blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].nextBlock = 0xffffffff; 48 blockMap->bmEntry[dieNo][gcMap->gcEntry[dieNo][blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].invalidPageCnt].tail].nextBlock = diePbn; 49 gcMap->gcEntry[dieNo][blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].invalidPageCnt].tail = diePbn; 50 } 51 else 52 { 53 blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].prevBlock = 0xffffffff; 54 blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].nextBlock = 0xffffffff; 55 gcMap->gcEntry[dieNo][blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].invalidPageCnt].head = diePbn; 56 gcMap->gcEntry[dieNo][blockMap->bmEntry[dieNo][diePbn].invalidPageCnt].tail = diePbn; 57 } 58 } 59 }
其實從上面的寫過程分析，我們可以大概了解到GC表其實就是把有相同無效頁的block串聯在一起
我們假設從block1到block7，其中無效頁最終分別為100,120,110,100,110,120,100
當block1進行完之后，GC[0][100].head=1 GC[0][100].tail=1
當block2的無效頁也到達100的時候，分析代碼可知，GC[0][100].head=1 GC[0][100].tail=2，而且block1和block2會鏈接起來，但是block2的無效頁會繼續增加，於是當他的無效頁增加的時候，block1和block2又會斷開，指向無效的0xffffffff，而block2執行完畢之后GC[0][120].head=2 GC[0][120].tail=2.
只有當block4和block7的無效頁最終停在100的時候，block1↔block4↔block7
既然已經了解GC表表示的什么意思，那么再看垃圾回收操作的代碼就簡單多了
1 u32 GarbageCollection(u32 dieNo) 2 { 3 xil_printf("GC occurs!\r\n"); 4 5 pageMap = (struct pmArray*)(PAGE_MAP_ADDR); 6 blockMap = (struct bmArray*)(BLOCK_MAP_ADDR); 7 dieBlock = (struct dieArray*)(DIE_MAP_ADDR); 8 gcMap = (struct gcArray*)(GC_MAP_ADDR); 9 10 int i; 11 for(i=PAGE_NUM_PER_BLOCK ; i>0 ; i--) //從無效頁大的開始回收 12 { 13 if(gcMap->gcEntry[dieNo][i].head != 0xffffffff) //擁有這么多無效頁的塊存在的話，取出一塊進行回收 14 { 15 u32 victimBlock = gcMap->gcEntry[dieNo][i].head; // GC victim block 16 17 // link setting 18 if(blockMap->bmEntry[dieNo][victimBlock].nextBlock != 0xffffffff) //更新GC鏈表 19 { 20 gcMap->gcEntry[dieNo][i].head = blockMap->bmEntry[dieNo][victimBlock].nextBlock; 21 blockMap->bmEntry[dieNo][blockMap->bmEntry[dieNo][victimBlock].nextBlock].prevBlock = 0xffffffff; 22 } 23 else 24 { 25 gcMap->gcEntry[dieNo][i].head = 0xffffffff; 26 gcMap->gcEntry[dieNo][i].tail = 0xffffffff; 27 } 28 29 // copy valid pages from the victim block to the free block 30 if(i != PAGE_NUM_PER_BLOCK) //如果整個塊都是無效頁就直接擦除就行了 31 { 32 int j; 33 for(j=0 ; j<PAGE_NUM_PER_BLOCK ; j++) // 34 { 35 if(pageMap->pmEntry[dieNo][(victimBlock * PAGE_NUM_PER_BLOCK) + j].valid) 36 { 37 // page copy process 38 u32 validPage = victimBlock*PAGE_NUM_PER_BLOCK + j; 39 u32 freeBlock = dieBlock->dieEntry[dieNo].freeBlock; //最開始有預留一個塊 40 u32 freePage = freeBlock*PAGE_NUM_PER_BLOCK + blockMap->bmEntry[dieNo][freeBlock].currentPage; 41 42 WaitWayFree(dieNo % CHANNEL_NUM, dieNo / CHANNEL_NUM); 43 SsdRead(dieNo % CHANNEL_NUM, dieNo / CHANNEL_NUM, validPage, GC_BUFFER_ADDR); //將一個塊里面的有效頁讀取到BUFFER里面 44 WaitWayFree(dieNo % CHANNEL_NUM, dieNo / CHANNEL_NUM); 45 SsdProgram(dieNo % CHANNEL_NUM, dieNo / CHANNEL_NUM, freePage, GC_BUFFER_ADDR); //有效數據寫入 46 47 // pageMap, blockMap update 48 u32 lpn = pageMap->pmEntry[dieNo][validPage].lpn; 49 50 pageMap->pmEntry[dieNo][lpn].ppn = freePage; //更新頁映射信息 51 pageMap->pmEntry[dieNo][freePage].lpn = lpn; 52 blockMap->bmEntry[dieNo][freeBlock].currentPage++; 53 } 54 } 55 } 56 57 // erased victim block becomes the free block for GC migration 58 EraseBlock(dieNo, victimBlock); 59 blockMap->bmEntry[dieNo][victimBlock].free = 0; 60 61 u32 currentBlock = dieBlock->dieEntry[dieNo].freeBlock; 62 dieBlock->dieEntry[dieNo].freeBlock = victimBlock; //將剛擦出的塊作為新的freeblock 63 64 return currentBlock; // atomic GC completion 65 } 66 } 67 68 // no free space anymore 69 assert(!"[WARNING] There are no free blocks. Abort terminate this ssd. [WARNING]"); 70 return 1; 71 }
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