Power-Efficient Design of an Embedded Flash Memory Management System

The report is the result of a master thesis at ENEA AB during the fall of 2009. It aims to create a specification of flash memory management system which focuses on power efficiency and low RAM usage for embedded systems, and to design and implement a prototype of such a system to facilitate further development toward the created specification. The system used by ENEA today is a Flash Translation Layer (FTL). It has a complex structure which prohibits modifications and customization, therefore a new flash memory management system needs to be developed. The suggested solution uses a translation layer called Metadata FTL (MFTL), where file system metadata and userdata are separated from each other in order to improve performance. The partition holding userdata uses a block-level mapped translation layer system called Fully Associative Sector Translation FTL. The other partition, holding metadata, will instead use a page-level mapped translation layer system which also separates often modified data from data modified seldom. The separation of data with different update frequencies is executed by a page allocation scheme called Modification Aware (MODA). The result of this report is a specification of the system described in the section above and an implemented prototype which has all the basic features of an FTL. The implemented design can successfully be used instead of the old FTL with a few restrictions. It can handle normal file system commands and can manage reboots without loss of information. However, the main goal of the implemented design is still to act as a prototype to facilitate further development toward the design explained in the specification.Denna rapport är resultatet av ett examensarbete på ENEA AB under hösten 2009. Målet med arbetet är att skapa en specifikation över ett hanteringssystem för flashminnen som fokuserar på energieffektivitet och lågt RAM utnyttjande för inbyggda system, samt att designa och implementera prototyp som kan verka som grund för att vidareutveckla systemet mot den framtagna specifikationen. Det system som idag används av ENEA är ett translationslager (FTL). Det har en komplex struktur vilket förhindrar modifieringar och anpassningar, därför ska ett nytt hanteringssystem för flashminnen tas fram. Den framtagna lösningen använder ett translationslager kallat Metadata FTL (MFTL) där metadata och användardata separeras från varandra för uppnå bättre prestanda. Partitionen som håller användardata använder ett blocknivå-mappat translationslager kallat Fully Assosiative Sector Translation FTL, vilket är designat för minimera energikonsumtionen genom att begränsa kostsamma skriv- och raderoperationer till flashminnet och samtidigt konsumera lite RAM. Den andra partitionen som innehåller metadata använder istället ett sidnivå-mappat translationslager som samtidigt separerar data som modifieras ofta och data som sällan modifieras för att spara ännu fler operationer. Separeringen av data med olika uppdateringsfrekvens utförs av ett allokeringsschema som heter MODA. Resultatet av denna rapport är en specifikation över det system som är beskrivet ovan samt en implementering av prototyp som har alla de grundläggande funktioner ett FTL har. Den implementerade designen kan framgångsrikt användas istället för det gamla FTL:et med några restriktioner. Det klarar normala filsystemkommandon och kan hantera omstarter utan att tappa information. Fortfarande är det dock så att den implementerade designen först och främst skall ses som en prototyp som kan användas för vidareutveckling av systemet