【FLASH存储器系列十九】固态硬盘掉电后如何恢复掉电前状态？

掉电分两种，一种是正常掉电，另一种是异常掉电。不管是哪种原因导致的掉电，我们都希望，重新上电后，SSD都需要能从掉电中恢复过来，继续正常工作。

正常掉电恢复，这个好理解，主机通知SSD要下电了，让其做好准备再下电，这种肯定就能恢复了，SSD收到该命令后，主要会做以下事情：

1、把buffer中缓存的用户数据刷入闪存。

2、把映射表刷入闪存。

3、把闪存的块信息写入闪存（比如当前写的是哪个闪存块，以及写到该闪存块的哪个位置，哪些闪存块已经写过，哪些闪存块又是无效的等）。

4、把SSD其他信息写入闪存。

主机等SSD处理完以上事情后，才会真正停止对SSD的供电。正常掉电不会导致数据的丢失，重新上电后，SSD只需把掉电前保存的相关信息（比如映射数据，闪存块信息等）重新加载，又能接着掉电前的状态继续工作。

异常掉电就麻烦点，就是SSD在没有收到主机的掉电通知时就被断电，或者收到主机的掉电通知，但还没有来得及处理上面提到的那些事情，就被断电了。异常掉电可能会导致数据的丢失，比如缓存在SSD中的数据来不及写到闪存，掉电导致这部分数据丢失。还有，根据闪存特性，如果掉电发生在写MLC的Upper page，会导致其对应的Lower Page数据遭到破坏，也就是意味着之前写入闪存的数据也可能由于异常掉电导致丢失。异常掉电恢复的目的一方面是尽可能恢复用户数据，把损失减到最低；另一方面是让SSD经历异常掉电后还能正常工作。

为防止异常掉电导致的数据丢失，一个简单的设计就是在SSD上加电容，SSD一旦检测到掉电，就让电容开始放电，然后把RAM中的数据刷到闪存上面去，从而避免数据丢失。企业级的SSD一般都带有电容。带电容的SSD，还是需要设计异常掉电处理模块，因为电容不能100%保证SSD在掉电前把所有的信息刷入闪存。还有一个比较前卫的想法，就是把RAM这种Volatile（掉电数据丢失）的东西，用Non-Volatile（掉电数据不丢失）的东西来替代，但要求这种Non-Volatile的东西性能上接近RAM。这样，整个SSD都是Non-Volatile的了。Intel和Micron合作开发的3D XPoint，可作为一个选择。3D XPoint兼有闪存掉电数据不丢失和内存快速访问的特点。

如果没有使用以上两种办法，导致RAM里的映射表因掉电丢失了，这就很严重了，必须对映射表进行重建。

那么，如何重建映射表呢？下面介绍一种重构策略（不同的SSD重构策略略有不同，但大同小异）。SSD在把用户数据写到闪存的时候，会额外打包一些数据，我们叫它元数据（Meta Data），它记录着该笔用户数据的相关信息，比如该笔数据对应的逻辑地址、数据写入时间（时间戳）等，如下图所示：

因此，用户数据在闪存中是像下面这样存储的：

如上图，如果我们读取物理地址Pa x，就能读取到元数据x和用户数据x，而元数据是有逻辑地址La x的，因此，我们就能获得映射：La x→Pa x。映射表的恢复原理其实很简单，只要全盘扫描整个闪存空间，就能获得所有的映射关系，最终完成整个映射表的重构。

以上重构原理很简单，但是还有两个问题。

其一：假设用户对逻辑地址1写过两次数据，注意SSD的数据不是原位更新的，第一次写在物理地址1，第二次写在物理地址2，这种情况在重构的时候怎么判断此逻辑地址应该映射到那个物理地址呢？这就得根据时间戳来判断，我们知道，用户最后写入的数据总是最新的，那个物理地址的元数据的时间戳值越大，谁就是最新数据。在全盘扫描时，先扫描到物理地址1，可以恢复出映射La 1→Pa 1，但扫描到Pa 2时，发现时间戳比之前的更新，于是新的映射取代旧的映射，最后得到映射关系：La 1→Pa 2。

其二：全盘扫描映射表恢复很慢，所耗的时间与SSD容量成正比。现在SSD容量已达到TB级别，全盘扫描映射方式，重构映射表需要花费几分钟甚至几十分钟，这在实际使用中，用户是不能接受的。那SSD内部是如何快速恢复映射表的呢？一种办法就是SSD定期把SSD中RAM的数据（包括映射表和缓存的用户数据）和SSD相关的状态信息（诸如闪存块擦写次数、闪存块读次数、闪存块其他信息等）写入到闪存中去，与正常掉电前SSD要做的事情类似，这个操作我们称之为做Checkpoint（检查点，此处译成“快照”更合适），如下图：

假设在做完快照C后，做下一个快照D之前，SSD在X处发生了异常掉电，如下图：

重新上电后，SSD可以从闪存中读取到最新的快照信息，即快照C。由于异常掉电，从快照C处到X处新产生的映射关系丢失。由于之前绝大多数的映射关系都被快照C保存，因此需要重建的映射关系仅仅是快照C之后产生的映射关系，这部分关系的恢复，仅需扫描一些局部的物理空间，因此，相对全盘扫描，映射表重建速度大大加快。

文章参考自《深入浅出SSD：固态存储核心技术、原理与实战 SSDFans》。