Flash memory의 FTL과 Block Mapping Table 구현

Flash memory의 Software의 구성 방식은 다음과 같이 계층적 구조로 이루어져 있다.

 

우리가 사용하는 Application에서 발생하는 read, write와 같은 연산들은 우리에게는 보이지 않지만 아래의 layer에 의해 투명하게 처리된다.

    우선 Flash File System은 대표적으로 FAT(file allocation table) file system이 있다. 이 계층에서는 application layer에서 호출한 read, write 연산을 수행하는 일반적인 파일 시스템이다.

    FTL(Flash Translation layer)는 우리가 사용하는 NAND 플래시 메모리를 일반 하드디스크와 같은 블록장치와 같이 행동하기 위해 논리주소를 물리주소로 mapping하는 기능을 수행한다. 이때 논리주소와 물리주소를 mapping되어 있는mapping table을 사용한다. Flash memory는 덮어쓰는 overwrite 기능을 제공하지 않기 때문에 out-of-place update를 사용한다. 따라서 block mapping table에는 항상 overwrite를 할 때 사용하는 free block을 두어 out-of-place update이 이루어질 때 사용한다. 또 하나의 block에 많은 erase, write가 이루어지는 bad block이 발생하지 않도록 하는 wear-leveling 기능도 제공한다.

    Flash Device Driver는 직접 NAND 플래시 메모리에 물리적으로 접근하여 데이터를 읽고 쓰는 역할을 수행하는 계층이다. 또 bad block와 ECC(Error Correction Code)를 처리한다.

    위와 달리 Flash File system 계층과 FTL 계층을 하나의 계층인 Dedicated Flash File System도 존재한다. 그러한 구조는 플래시 메모리 전용으로 설계된 파일 시스템에서 사용된다.

    FTL에서 논리주소와 물리주소를 mapping하는 방법에는 여러가지가 있다. 대표적으로 sector mapping, block mapping, hybrid mapping이 존재한다. 글쓴이가 구현한 방식은 block mapping 기법을 사용하였다. 이 세가지 기법을 간단히 설명하자면 sector mapping은 lsn(logical sector number)와 psn(physical sector number)가 1대1로 mapping되어 있는 방법이다. 이 경우 mapping table이 굉장히 커질 수 있는 단점이 존재한다. block mapping table 기법은 lsn을 블록당 페이지의 수로 나눈 몫을 block번호로 사용하고 나머지를 page번호로 사용하는 방법이다. 예를 들어 lsn이 9이고 한 블록당 page의 수가 4개인 경우 9/4 = 2가 블록 번호(pbn), 9%4 = 1이 블록의 page번호(ppn)인 것이다. 이 경우에 한 블록에 4개의 page가 존재하므로 sector mapping 방식에 비해 mapping table이 1/4로 줄일 수 있는 이점이 있다. 마지막으로 hybrid mapping 방식은 block mapping과 굉장히 유사하지만 나머지인 offset을 ppn으로 사용하는 것이 아닌 pbn의 비어있는 곳에 순서대로 할당한 후 page의 spare영역에 메타데이터인 lsn을 저장하여 어디서 저장된 데이터인지 알 수 있게한다.

    아래 링크는 C언어를 활용해 구현한 FTL의 block mapping table이다.

https://github.com/Seo-sang/file_processing_FTL