NAND Flash--flash技术

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                所谓Flash，是内存（Memory）的一种，但兼有RAM和ROM 的优点，是一种可在系统（In-System）进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器，同时它的高集成度和低成本使它成为市场主流。
    Flash 芯片是由内部成千上万个存储单元组成的，每个单元存储一个bit。具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程（烧写）、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。
作为一种非易失性存储器，Flash在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。
常用的Flash为8位或16位的数据宽度，编程电压为单3.3V。主要的生产厂商为INTEL、ATMEL、AMD、HYUNDAI等。Flash 技术根据不同的应用场合也分为不同的发展方向，有擅长存储代码的NOR Flash和擅长存储数据的NAND Flash。一下对NOR Flash和NAND Flash的技术分别作了相应的介绍。

一．NOR Flash
1.      市场介绍
随着技术的发展，愈来愈多的电子产品需要更多的智能化，这也对这些产品的程序存储提出了更高的要求。Flash 作为一种低成本、高集成度的存储技术在电子产品领域的应用非常广泛。今天90%的PC、超过90%的手机、超过50%的Modem，都是用了Flash，如今Flash市场规模已经超过了100亿美元。
如此巨大的市场规模，也导致市场上的Flash 品牌层出不穷。在NOR Flash市场中，Intel公司是非常重要的一家生产厂商。Intel公司生产的Flash芯片多年来占据着市场的很大份额，而它的芯片封装形式和接口也成为业界标准，从而为不同品牌的Flash带来了兼容的方便。
2.      NOR Flash 的硬件设计和调试
首先，Flash 要通过系统总线接在处理器上，即保持一个高速的数据交换的通道。那么就必须了解一下Flash在系统总线上的基本操作。
1） 先了解一下处理器存储空间BANK的概念。以32位处理器S3C2410为例，理论上可以寻址的空间为4GB，但其中有3GB的空间都预留给处理器内部的寄存器和其他设备了，留给外部可寻址的空间只有1GB，也就是0X00000000~0X3fffffff，总共应该有30根地址线。这1GB的空间，2410处理器又根据所支持的设备的特点将它分为了8份，每份空间有128MB，这每一份的空间又称为一个BANK。为方便操作，2410独立地给了每个BANK一个片选信号（nGCS7~nGCS0）。其实这8个片选信号可以看作是2410处理器内部30根地址线的最高三位所做的地址译码的结果。正因为这3根地址线所代表的地址信息已经由8个片选信号来传递了，因此2410处理器最后输出的实际地址线就只有A26~A0（如下图1）

图1  2410内存BANK示意图


    2）以图2(带nWAIT信号)为例，描述一下处理器的总线的读操作过程，来说明Flash整体读、写的流程。第一个时钟周期开始，系统地址总线给出需要访问的存储空间地址，经过Tacs时间后，片选信号也相应给出（锁存当前地址线上地址信息），再经过Tcso时间后，处理器给出当前操作是读（nOE为低）还是写（new为低），并在Tacc时间内将数据数据准备好放之总线上，Tacc时间后（并查看nWAIT信号，为低则延长本次总线操作），nOE 拉高，锁存数据线数据。这样一个总线操作就基本完成


图2  带nWAIT 信号的总线读操作


3）NOR Flash的接口设计（现代的29LV160芯片）
29LV160存储容量为8M字节，工作电压为3.3V，采用56脚TSOP封装或48脚FBGA封装，16位数据宽度。29LV160仅需单3.3V电压即可完成在系统的编程与擦除操作，通过对其内部的命令寄存器写入标准的命令序列，可对Flash进行编程（烧写）、整片擦除、按扇区擦除以及其他操作。引脚信号描述和接口电路分别如图3和图4所示。

图3 29LV160引脚信号描述




图4  FLASH（29LV160）接口电路


可以从信号引脚图3和总线操作图2看出，NOR Flash的接口和系统总线接口完全匹配，可以很容易地接到系统总线上。
二．NAND FLASH
NAND FLASH 在对大容量的数据存储需要中日益发展，到现今，所有的数码相机、多数ＭＰ３播放器、各种类型的Ｕ盘、很多PDA里面都有NAND FLASH的身影。
1.      Flash的简介
NOR Flash：
u       程序和数据可存放在同一片芯片上，拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机地读取，允许系统直接从Flash中读取代码执行，而无需先将代码下载至ＲＡＭ中再执行
u       可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以块为单位或对整片执行擦除操作，在对存储器进行编程之前需要对块或整片进行预编程和擦除操作。

NAND FLASH
u       以页为单位进行读写操作，1页为256B或512B；以块为单位进行擦除操作，1块为4KB、8KB或16KB。具有快编程和快擦除的功能
u       数据、地址采用同一总线，实现串行读取。随机读取速度慢且不能按字节随机编程
u       芯片尺寸小，引脚少，是位成本（bit cost）最低的固态存储器
u       芯片存储位错误率较高，推荐使用 ECC校验，并包含有冗余块，其数目大概占1%，当某个存储块发生错误后可以进行标注，并以冗余块代替
u       Samsung、TOSHIBA和Fujistu三家公司支持采用NAND技术NAND Flash。目前，Samsung公司推出的最大存储容量可达8Gbit。NAND 主要作为SmartMedia卡、Compact Flash卡、PCMCIA ATA卡、固态盘的存储介质，并正成为Flash磁盘技术的核心。
2.      NAND FLASH 和NOR FLASH 的比较
1)       性能比较
    flash闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。
    由于擦除NOR器件时是以64～128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s，与此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms。
    执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距，统计表明，对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时)，更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样，当选择存储解决方案时，设计师必须权衡以下的各项因素。
      　　● NOR的读速度比NAND稍快一些。
      　　● NAND的写入速度比NOR快很多。
      　　● NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。
      　　● 大多数写入操作需要先进行擦除操作。
      　　● NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。
2)       接口差别
    NOR flash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节。
NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，共用8位总线（各个产品或厂商的方法可能各不相同）。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。NAND读和写操作采用512字节的页和32KB的块为单位，这一点有点像硬盘管理此类操作，很自然地，基于NAND的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。
3)       容量和成本
NAND flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半，由于生产过程更为简单，NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就相应地降低了价格，大概只有NOR的十分之一。
NOR flash占据了容量为1～16MB闪存市场的大部分，而NAND flash只是用在8～128MB的产品当中，这也说明NOR主要应用在代码存储介质中，NAND适合于数据存储，NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存储卡市场上所占份额最大。
4)       可靠性和耐用性
采用flahs介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展MTBF的系统来说，Flash是非常合适的存储方案。可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可靠性。
在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而NOR的擦写次数是十万次。NAND存储器除了具有10比1的块擦除周期优势，典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍，每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些。
5)       位交换（错误率）
所有flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下(很少见，NAND发生的次数要比NOR多)，一个比特位会发生反转或被报告反转了。一位的变化可能不很明显，但是如果发生在一个关键文件上，这个小小的故障可能导致系统停机。如果只是报告有问题，多读几次就可能解决了。当然，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。位反转的问题更多见于NAND闪存，NAND的供应商建议使用NAND闪存的时候，同时使用EDC/ECC算法。
这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。当然，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时，必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。
6)       坏块处理
NAND器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力，但发现成品率太低，代价太高，根本不划算。NAND器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。现在的FLSAH一般都提供冗余块来代替坏块如发现某个块的数据发生错误（ECC校验），则将该块标注成坏块，并以冗余块代替。这导致了在NAND Flash 中，一般都需要对坏块进行编号管理，让每一个块都有自己的逻辑地址。
7)       易于使用
可以非常直接地使用基于NOR的闪存，可以像其他存储器那样连接，并可以在上面直接运行代码。由于需要I/O接口，NAND要复杂得多。各种NAND器件的存取方法因厂家而异。在使用NAND器件时，必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操作。向NAND器件写入信息需要相当的技巧，因为设计师绝不能向坏块写入，这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。
8)       软件支持
当讨论软件支持的时候，应该区别基本的读/写/擦操作和高一级的用于磁盘仿真和闪存管理算法的软件，包括性能优化。在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持，在NAND器件上进行同样操作时，通常需要驱动程序，也就是内存技术驱动程序(MTD)，NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。使用NOR器件时所需要的MTD要相对少一些，许多厂商都提供用于NOR器件的更高级软件，这其中包括M-System的TrueFFS驱动，该驱动被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等厂商所采用。驱动还用于对DiskOnChip产品进行仿真和NAND闪存的管理，包括纠错、坏块处理和损耗平衡。
在掌上电脑里要使用NAND FLASH 存储数据和程序，但是必须有NOR FLASH来启动。除了SAMSUNG处理器，其他用在掌上电脑的主流处理器还不支持直接由NAND FLASH 启动程序。因此，必须先用一片小的NOR FLASH 启动机器，在把OS等软件从NAND FLASH 载入SDRAM中运行才行。
9)       主要供应商
NOR FLASH的主要供应商是INTEL ,MICRO等厂商，曾经是FLASH的主流产品，但现在被NANDFLASH挤的比较难受。它的优点是可以直接从FLASH中运行程序，但是工艺复杂，价格比较贵。
NAND FLASH的主要供应商是SAMSUNG和东芝，在U盘、各种存储卡、MP3播放器里面的都是这种FLASH，由于工艺上的不同，它比NORFLASH拥有更大存储容量，而且便宜。但也有缺点，就是无法寻址直接运行程序，只能存储数据。另外NAND FLASH非常容易出现坏区，所以需要有校验的算法。

3．NAND Flash的硬件设计
NAND FLASH是采用与非门结构技术的非易失存储器，有8位和16位两种组织形式，下面以8位的NAND FLASH进行讨论。
1)      接口信号
与NOR Flash相比较，其数据线宽度只有8bit，没有地址总线，I/O接口可用于控制命令和地址的输入，也可用于数据的输入和输出，多了CLE和ALE来区分总线上的数据类别。

信号    类型    描述      
CLE    O    命令锁存使能      
ALE    O    地址锁存使能      
nFCE    O    NAND Flash片选      
NFRE    O    NAND Flash读使能      
nFWE    O    NAND Flash写使能      
NCON    I    NAND Flash配置      
R/nB    I    NAND Flash Ready/Busy     

2)      地址结构
NAND FLASH主要以页（page）为单位进行读写，以块(block)为单位进行擦除。FLASH页的大小和块的大小因不同类型块结构而不同，块结构有两种：小块（图7）和大块（图8），小块NAND FLASH包含32个页，每页512+16字节；大块NAND FLASH包含64页，每页2048+64字节。

图7  小块类型NAND FLASH




图8  大块类型NAND FLASH

其中，512B（或1024B）用于存放数据，16B（64B）用于存放其他信息（包括：块好坏的标记、块的逻辑地址、页内数据的ECC校验和等）。NAND设备的随机读取得效率很低，一般以页为单位进行读操作。系统在每次读一页后会计算其校验和，并和存储在页内的冗余的16B内的校验和做比较，以此来判断读出的数据是否正确。
大块和小块NAND FLASH都有与页大小相同的页寄存器，用于数据缓存。当读数据时，先从NAND FLASH内存单元把数据读到页寄存器，外部通过访问NAND FLASH I/O端口获得页寄存器中数据（地址自动累加）；当写数据时，外部通过NAND FLASH I/O端口输入的数据首先缓存在页寄存器，写命令发出后才写入到内存单元中。

3)      接口电路设计（以下以2410和K9F1208U为例）
2410处理器拥有专门针对 NAND设备的接口，可以很方便地和NAND设备对接，如图9所示。虽然NAND设备的接口比较简单，容易接到系统总线上，但2410处理器针对NAND设备还集成了硬件ECC校验，这将大大提高NAND设备的读写效率。当没有处理器的ECC支持时，就需要由软件来完成ECC校验，这将消耗大量的CPU资源，使读写速度下降。

图9 S3C2410与NAND FLASH接口电路示意图


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