AliOS Things KV组件的写平衡特性

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）
有无写平衡特性 每次写入数据量（byte） 平均每日擦除次数 使用寿命
yes 50 ≈62 ≈4.4年
no 50 5000 20天
yes 500 ≈610 ≈163天
no 500 5000 20天

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：

1. 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：

1. 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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