前言

不知道你有沒有發現，每當買回來一塊U盤，插入電腦發現永遠比所標的容量小。

到底是誰偷走了我的容量？

真凶就是預留空間（Over Provisioning），簡稱OP。

預留空間OP是什麼

瞭解記憶體開發的都會知道，一塊Flash中能用的空間並不會全部用來做用戶空間。

還有一部分空間會被用來做預留空間，用以做一些中間搬運的操作。

所謂用戶空間，就是記憶體容量，也就是主機端能看到的存儲容量。 預留空間，用戶是看不到的，屬於FTL層，用來做一些中間寫操作。

我們假設一個Flash只有一個通道，那麼肯定就只有一個Die，該Die有5個Block塊（Block0~Block4），每個Block中有9個小方塊，代表著9個page（後面說的Flash，也是用的這個假設容量）。

其中有多少用作預留空間是固件決定的事情，屬於FTL層。

我們假設固件設置這Flash的前4Block為用戶容量，那麼另外1個Block就是用戶容量之外的預留空間。

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​預留空間的種類

• 本徵預留空間OP1

• 標稱預留空間OP2

本徵預留空間

市場上SSD標稱的容量1K是按照1000來計算的，但是NAND快閃記憶體的容量中1K是按照1024計算的。

假設現在買到手一個1G的U盤，我們簡單列個式子計算一下：

市場SSD標稱： 1GB = 1000MB = 10001000KB = 10001000*1000Byte = 10^9Byte(1,000,000,000Byte)。

NAND快閃記憶體： 1GB = 1024MB = 10241024KB = 10241024*1024Byte =2^30Byte(1,073,741,824Byte)。

這兩個計算方式之間正好相差7.37%。所以說該U盤的本徵預留空間就有7.37%。

標稱預留空間

標稱OP是由於固件需要提升性能要求而故意預留出來的空間，大小由FTL來決定。

這個部分預留空間主要用於垃圾回收GC，暫存有效數據。

標稱預留空間OP=（Flash總容量-用戶空間）/用戶空間。

預留空間的用途

• 更新數據

• 提供額外的空間暫存有效數據，為垃圾回收做準備

更新數據

假設往不斷地往Flash中寫數據，忽然某些邏輯地址的數據用戶不想要了，想要更新新的數據進入。

由於Flash的特性是不能覆蓋寫的，寫之前還必須進行整個Block的擦除。

為了避免擦除掉Block中有用的數據，用戶更新數據，固件只能另外找空間寫入新的數據，那原來的地址中數據就沒用了，成立垃圾。

而這個另外找的空間，一般找的就是預留空間。

同時假設用戶要在Block0上更新新數據，地址為Page0，數據量為1page時，固件會把新寫入的page數據寫到預留空間中。

這時候，預留空間Block4的page0就是Block0的page0的有效數據了。

而Block0中原來的page0的數據也就失效了，過期了，變成垃圾了。

隨著更新的數據越來越多，垃圾數據也就越來越多了。

提供額外的空間暫存有效數據，為垃圾回收做準備

隨著數據不斷寫入，用戶空間被不斷填充，直到整個盤被寫滿了。

從主機端看也就是整個用戶空間被寫滿了，但是由於預留空間的存在，其實整個Flash並沒有被寫滿。

但是按著這麼寫下去，總有一天用戶空間被寫滿，預留空間也會被寫滿。

這時候如果還想寫入更多呢？

沒辦法，只能將不想要的垃圾數據刪除掉，騰出空間來，也就是做垃圾回收。

實際中不會等到所有的記憶體空間都寫滿了才做垃圾回收，而是在寫滿之前就在做回收了。

為了避免擦除Block的時候將其中的某些有效數據被刪掉了，會先將Block上的有效數據讀出來，寫到一個新的Block上。

如下圖，假設Block 0的有效數據為A、B、C，Block 1的有效數據為D、E、F；

垃圾回收就是找一個新的Block 4，將Block 0和Block 1的有效數據搬移到Block 4上。

這樣Block 0和Block 0上就沒有任何有效數據了.

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​Blcok 0和Block 1可以隨時擦除，變成兩個可用的Block塊。

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​當然也有些廠商的FTL方案中，這個新的Block不一定從預留空間中找，也會在用戶空間中找。

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​需要註意的是，在做完垃圾回收之後，需要把有效數據寫回新擦除的Block中，這些Block剩下的空間，就能繼續寫入新的數據了。

預留空間的好處

犧牲了那麼多本該數據用戶空間的容量來做預留空間，自然是有好處的。

• 提高寫入性能

由於有預留空間的存在，寫入數據時並不需要經常做垃圾回收，加快了寫入速度。

• 降低寫放大WA

寫放大的計算方法：WA = 寫入快閃記憶體的數據量/用戶寫入的數據量

OP越大，寫入Flash的有效數據就越少，WA自然就降低了。

• 增加快閃記憶體使用壽命

OP越大，可供的額外空間越多，就不用只盯著那幾個Block去做擦讀寫，減少了某些Block頻繁的擦讀寫次數和數據搬遷，增加使用壽命。

• 數據保護主要提供ECC之外的數據保護

這個幾乎很少用到，這裡就不討論這個了。

寫在最後

我記得曾經有人說過，思想和行動的區別在於：

想談戀愛卻高呼自由可貴，想進大廠卻不想工作，想當大牛卻不想學習，每個人都知道明天必須披荊斬棘的活下去，卻依舊渾渾噩噩的度過今天。

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