AliOS Things KV组件的写平衡特性 1
摘要: KV组件的写平衡(磨损平衡)特性就是通过异地更新、垃圾回收等策略来平衡flash介质各个存储区块的磨损程度,以避免某些“特定”存储区块因过度使用而形成坏区,从而延长flash的使用寿命。
前言
KV组件是AliOS Things中一个以Key-Value方式进行持久化存储的轻量级组件,主要为基于nor flash的小型MCU设备(Micro Control Unit)提供通用的Key-Value持久化存储接口。KV组件支持写平衡(磨损平衡)、掉电保护特性,且具有相当低的footprint。这里主要介绍KV组件在设计写平衡特性时的一些考量。
What – KV组件的写平衡特性是什么
对于flash介质而言,它是有一定的擦写次数限制的。如果针对介质上一个固定地址进行重复的擦除、写入,将会导致该区域的使用寿命降低,甚至出现介质损坏的情况。KV组件的写平衡(磨损平衡)特性就是通过异地更新、垃圾回收等策略来平衡flash介质各个存储区块的磨损程度,以避免某些“特定”存储区块因过度使用而形成坏区,从而延长flash的使用寿命。
Why – KV组件为何需要写平衡特性
KV组件的设计初衷是为了给基于nor flash的小型MCU设备提供一个可以存储配置信息的模块。对于单个配置信息而言,一般所需存储的字节数大多在十几个字节~几百个字节量级,而一般nor flash的最小擦除单位(sector)都在4K字节以上,且根据flash介质需先擦再写的特点,如果没有写平衡特性,每次新写入或更新配置信息都会带来一次flash介质擦除操作,这将大大影响flash介质的使用寿命(一般nor flash的擦除次数限制大约10万次左右)。
下表是flash介质在有无写平衡特性下重复写入使用寿命的理论计算对比:
(限制条件:flash擦除sector大小为4k, 擦除次数限制为10W次,每日写入次数5000次)
根据上表的对比,KV组件的写平衡特性在几百个字节量级的写入情况下起码可以延长flash 8倍以上的使用寿命。
How – KV组件写平衡特性的实现考量
由于小型物联网嵌入式设备的硬件资源较为匮乏,对code size以及RAM的占用size比较敏感。所以基于资源消耗的考量,写平衡特性在KV组件中的实现遵循make it simple原则,主要依赖以下两个策略来实现:
- 异地更新策略:
Key-Value键值对采用顺序写入、异地更新的方式,即不再在原存储位置擦除重写,而是在其余空闲位置写入新键值并将原键值标记无效等待回收。这样既可以减少flash的擦除操作次数,又可以提高flash的空间利用率,也避免了对“特定”存储区块过度使用的问题。
示意图如下:
- 垃圾回收策略:
当flash存储区块的剩余可用空间达到阈值时,会触发垃圾回收机制。垃圾回收机制采用基础的SGC算法进行资源回收释放,即当系统触发垃圾回收时,从当前写入块的下一个存储块开始依次检查存储块的管理状态,若存储块的管理状态为Dirty状态,则将该存储块中的有效数据依次挪向垃圾回收预留的空闲存储块,当数据迁移完成后,会擦除Dirty存储块并标记可用空闲状态。
示意图如下:
小结
KV组件的写平衡特性,在兼顾footprint需求的同时,也能有效的提升flash的使用寿命。不过也是由于footprint的要求,写平衡特性在算法的实现相对较为简单,在资源更丰富的场景下,可以采用更复杂高效一些的平衡算法。
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