UBI子系统

UBI子系统简介

UBI子系统是运行在mtd子系统之上的一个flash管理系统，对上层屏蔽了flash的一些特性（例如坏块管理、磨损平衡等），并且提供了UBI卷（类似于分区）的概念；
UBI子系统只适用于传统的Flash(nor/nand)，不适用于消费类Flash（mmc、emmc等），原因是它们都有自己的一套坏块管理和磨损平衡的机制。

相关概念

PEB和LEB

PEB（Physical Erase Block）物理擦除块是真实物理设备中的块，因为Nand Flash的擦除最小单位是块，因此叫做擦除块；以GD的flash为例 1块的大小是128K，1页大小是2048Byte+128Byte。
LEB（Logical Erase Block）逻辑擦除块是映射到物理擦除块上的，由于UBI会在每个PEB前面添加自己的UBI头，因此实际大小会比PEB要小。

UBI卷

UBI卷是一组连续的逻辑擦除块（LEB），每个LEB会动态映射到PEB上，由UBI子系统本身管理，这个管理对用户是隐藏的，当某个PEB损坏的时候，对应LEB会自动取消对这个PEB的映射，然后映射到另一个好的PEB上，这个过程用户是没有感觉的，因为它操作的还是那个LEB，并不知道底层擦写的物理块已经变了。
UBI卷有两种类型：动态卷和静态卷。静态卷是只读的卷，里面的内容由CRC-23校验码保护，并且静态卷的大小是已知的；动态卷是可以读写的，数据的完整性由文件系统保证，并且动态卷的大小不是固定的，可以重新指定大小。

磨损平衡

由于Nand Flash本身的特性，擦除次数是有限制的，通常在一个分区里面（例如userdata分区）并不会一直都是填满数据的，大部分的时间大部分空间都是空的，如果按顺序对Flash进行擦写，那么擦写的块就会集中在分区前面的block，这样造成的后果就是大大增加了前面的block的损坏概率，而后面的block又完全没用到。
UBI提供了一个磨损平衡的机制来保证分区里面的每个block的擦除次数的最大差值不会超过一定值，这样就能保证每个block都有机会被使用到；这时候逻辑块的作用就体现出来了，上层操作的还是连续的逻辑块，但是ubi将LEB映射到了不同的PEB，这样底层擦写的就是另一个物理块，实现了磨损平衡，而且上层不需要做任何其他的操作。

坏块管理

Nand Flash生产过程中或使用过程中都有可能产生坏块，这是由Flash本身的特性决定的，一个Nand Flash出厂的时候只能保证第0个block一定是好的，其它的每个块都有可能是坏块，但出厂时总的坏块数不会超过2%，在后面的使用过程中也可能会随机产生坏块。
UBI本身就是一个坏块管理的中间件，提供坏块管理的功能：
UBI在创建的时候是会预留一个坏块池，运行过程中发现一个物理擦除块变成坏块时，它就会从坏块池中拿出一个好的块替换掉这个坏的块，并将数据从这个块中迁移到好块里面。

更多的时候LEB和PEB的映射关系不会像上图那样有序，而是杂乱无章的，因为有磨损平衡的存在，当同步数据的时候，ubi就可能会对逻辑块进行re-map操作。

位翻转（bit-flips）

Nand Flash在使用过程中容易发生位翻转，发生位翻转可以由ECC校验并矫正，但ECC的纠错能力是有限的，一般512字节8位的ecc校验码，能纠正1bit位翻转，能发现2bit位翻转，更多的就不能保证发现，并且超过1位就不能纠正了。
UBI会检查每个block是否发生了位翻转，并且将数据转移到其他PEB来解决问题，这个过程称为scrubbing（擦洗）。

UBI 头(headers)

UBI在每个非坏PEB开始需要存放2个64Byte的头，分别是EC头（Erase Counter Header）和VID头（Volume Identifier Header）：

• EC头，擦除计数头，主要包含该PEB的擦除计数器以及其他信息；
• VID头，卷标识头，主要包含所属卷ID和逻辑块号(lnum)；

位置

EC头始终位于PEB偏移量为0处并占用64个字节，VID头则位于下一个最小IO单元开始的地方，也占用64个字节，例如：

• 对于最小IO单元为1的nor flash，则VID头位于偏移量64字节处；
• 对于没有子页的Nand Flash，则VID头位于下一个page开始处；
• 对于有字节的Nand Flash，则VID头位于下一个子页开始处；
  GDFlash是没有子页的Nand Flash，并且1个page的大小为2k，因此对于GD的Flash，EC头位于每个block偏移量为0处，VID头则位于偏移量为2048(2k)处。

擦写时机

EC头和VID头位于不同IO单元是因为，EC头和VID头写入的时机并不一样。
当UBI关联到一个MTD设备的时候，会去扫描整个MTD设备，并在RAM中建立映射关系，保存在ubi_attach_info数据结构中；第一次关联MTD设备时，还需要先将MTD设备格式化成UBI格式，也就是在每个物理擦除块前写入EC头。
UBI擦除PEB后，它就会增加擦除计数器的值，并将EC头重新写入。
当UBI将LEB和PEB映射的时候，才会将VID头写入PEB中；VID头被写入的时候，更像是这样子：

1. 当进行LEB映射或者写操作一个没有映射的LEB的时候，ubi会去寻找一个合适的**空闲（free）**的PEB，然后将VID头写入（此时EC头是必须已经存在的，并且不会更改EC头）；
2. 当发生数据迁移的时候，LEB会取消映射PEB，并将这个PEB放进擦除（erase）链表中，PEB执行擦除完成后会立马写入EC头，并且EC头的擦除计数器+1，此时不会写入VID头；LEB会执行1操作，重新映射另一个PEB。

ps：
1.PEB擦除到重新写入EC头中间如果发生重启，EC头将会丢失，重启后ubi会扫描mtd设备，重新写入一个拥有平均计数器的EC头；
2.PEB的擦除和写入是异步的，也就是说可能会发生层新的LEB已经映射了新的PEB并写入了VID头，但是旧的PEB还没有被擦除，此时发生重启，就会有两个PEB被同一个LEB所映射（VID头拥有相同的卷ID和逻辑块号）；此时就会选择 sqnum（全局LEB序列号） 更大的PEB

层卷（Layout Volume）

ubi层卷是必须存在的一个卷，并且这个卷对用户隐藏，使用的时候并不会发现有这个卷的存在；层卷需要占用两个块的内存空间，层卷里面保存了每个卷的信息，并且保存了两份，一个block一份，防止丢失。也就是说UBI子系统中能创建的最大卷的数量和bolck的大小是有关的，但最多不超过128个卷。

UBI子系统的主要功能

• 提供卷的概念，可以动态创建、删除或重新调整大小；
• 提供磨损平衡机制；
• 提供坏块管理；
• 会处理位翻转；
• 提供原子更改逻辑块操作，在发生unclean-reboot的时候保证数据完整性；

UBI管理开销

UBI子系统提供了这么多功能，付出的代价就是需要消耗额外的内存空间来存放这些管理信息。UBI管理产生的开销主要有以下：

1. 层卷，需要2个block；
2. 磨损平衡，需要消耗1个block；
3. 原子更改逻辑块，需要消耗1个block；
4. 坏块管理预留坏块池，需要预留20个block；
5. UBI标头，每个block前都要预留空间存放2个header，所占用空间和实际UBI分区大小有关；
   对Nand Flash(128M,block=128k,page=2k)来说，37M大小的UBI分区的管理开销应该为：ALL = 24 x 128k + (296 - 24) x 2 x 2k = 4160k ≈ 33 block

标签：LEB,子系统,学习,擦除,block,坏块,UBI,PEB
来源： https://blog.csdn.net/FOUREYESPIG/article/details/118944730