​大家好，我是五月。

前言

不知道你有没有发现，每当买回来一块U盘，插入电脑发现永远比所标的容量小。

到底是谁偷走了我的容量？

真凶就是预留空间（Over Provisioning），简称OP。

预留空间OP是什么

了解内存开发的都会知道，一块Flash中能用的空间并不会全部用来做用户空间。

还有一部分空间会被用来做预留空间，用以做一些中间搬运的操作。

所谓用户空间，就是内存容量，也就是主机端能看到的存储容量。 预留空间，用户是看不到的，属于FTL层，用来做一些中间写操作。

我们假设一个Flash只有一个通道，那么肯定就只有一个Die，该Die有5个Block块（Block0~Block4），每个Block中有9个小方块，代表着9个page（后面说的Flash，也是用的这个假设容量）。

其中有多少用作预留空间是固件决定的事情，属于FTL层。

我们假设固件设置这Flash的前4Block为用户容量，那么另外1个Block就是用户容量之外的预留空间。

​预留空间的种类

• 本征预留空间OP1

• 标称预留空间OP2

本征预留空间

市场上SSD标称的容量1K是按照1000来计算的，但是NAND闪存的容量中1K是按照1024计算的。

假设现在买到手一个1G的U盘，我们简单列个式子计算一下：

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

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

这两个计算方式之间正好相差7.37%。所以说该U盘的本征预留空间就有7.37%。

标称预留空间

标称OP是由于固件需要提升性能要求而故意预留出来的空间，大小由FTL来决定。

这个部分预留空间主要用于垃圾回收GC，暂存有效数据。

标称预留空间OP=（Flash总容量-用户空间）/用户空间。

预留空间的用途

• 更新数据

• 提供额外的空间暂存有效数据，为垃圾回收做准备

更新数据

假设往不断地往Flash中写数据，忽然某些逻辑地址的数据用户不想要了，想要更新新的数据进入。

由于Flash的特性是不能覆盖写的，写之前还必须进行整个Block的擦除。

为了避免擦除掉Block中有用的数据，用户更新数据，固件只能另外找空间写入新的数据，那原来的地址中数据就没用了，成立垃圾。

而这个另外找的空间，一般找的就是预留空间。

同时假设用户要在Block0上更新新数据，地址为Page0，数据量为1page时，固件会把新写入的page数据写到预留空间中。

这时候，预留空间Block4的page0就是Block0的page0的有效数据了。

而Block0中原来的page0的数据也就失效了，过期了，变成垃圾了。

随着更新的数据越来越多，垃圾数据也就越来越多了。

提供额外的空间暂存有效数据，为垃圾回收做准备

随着数据不断写入，用户空间被不断填充，直到整个盘被写满了。

从主机端看也就是整个用户空间被写满了，但是由于预留空间的存在，其实整个Flash并没有被写满。

但是按着这么写下去，总有一天用户空间被写满，预留空间也会被写满。

这时候如果还想写入更多呢？

没办法，只能将不想要的垃圾数据删除掉，腾出空间来，也就是做垃圾回收。

实际中不会等到所有的内存空间都写满了才做垃圾回收，而是在写满之前就在做回收了。

为了避免擦除Block的时候将其中的某些有效数据被删掉了，会先将Block上的有效数据读出来，写到一个新的Block上。

如下图，假设Block 0的有效数据为A、B、C，Block 1的有效数据为D、E、F；

垃圾回收就是找一个新的Block 4，将Block 0和Block 1的有效数据搬移到Block 4上。

这样Block 0和Block 0上就没有任何有效数据了.

​Blcok 0和Block 1可以随时擦除，变成两个可用的Block块。

 

​当然也有些厂商的FTL方案中，这个新的Block不一定从预留空间中找，也会在用户空间中找。

 

​需要注意的是，在做完垃圾回收之后，需要把有效数据写回新擦除的Block中，这些Block剩下的空间，就能继续写入新的数据了。

 

预留空间的好处

牺牲了那么多本该数据用户空间的容量来做预留空间，自然是有好处的。

• 提高写入性能

由于有预留空间的存在，写入数据时并不需要经常做垃圾回收，加快了写入速度。

• 降低写放大WA

写放大的计算方法：WA = 写入闪存的数据量/用户写入的数据量

OP越大，写入Flash的有效数据就越少，WA自然就降低了。

• 增加闪存使用寿命

OP越大，可供的额外空间越多，就不用只盯着那几个Block去做擦读写，减少了某些Block频繁的擦读写次数和数据搬迁，增加使用寿命。

• 数据保护主要提供ECC之外的数据保护

这个几乎很少用到，这里就不讨论这个了。

写在最后

我记得曾经有人说过，思想和行动的区别在于：

想谈恋爱却高呼自由可贵，想进大厂却不想工作，想当大牛却不想学习，每个人都知道明天必须披荆斩棘的活下去，却依旧浑浑噩噩的度过今天。

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