FLASH存儲-----NAND FLASH

NAND FLASH在對大容量的數(shù)據(jù)存儲需要中日益發(fā)展，到現(xiàn)今，所有的數(shù)碼相機、多數(shù)ＭＰ３播放器、各種類型的Ｕ盤、很多PDA里面都有NAND FLASH的身影。

1.Flash的簡介

NOR Flash：

u程序和數(shù)據(jù)可存放在同一片芯片上，擁有獨立的數(shù)據(jù)總線和地址總線，能快速隨機地讀取，允許系統(tǒng)直接從Flash中讀取代碼執(zhí)行，而無需先將代碼下載至ＲＡＭ中再執(zhí)行

u可以單字節(jié)或單字編程，但不能單字節(jié)擦除，必須以塊為單位或?qū)φ瑘?zhí)行擦除操作，在對存儲器進行編程之前需要對塊或整片進行預編程和擦除操作。

NAND FLASH

u以頁為單位進行讀寫操作，1頁為256B或512B；以塊為單位進行擦除操作，1塊為4KB、8KB或16KB。具有快編程和快擦除的功能

u數(shù)據(jù)、地址采用同一總線，實現(xiàn)串行讀取。隨機讀取速度慢且不能按字節(jié)隨機編程

u芯片尺寸小，引腳少，是位成本（bit cost）最低的固態(tài)存儲器

u芯片存儲位錯誤率較高，推薦使用ECC校驗，并包含有冗余塊，其數(shù)目大概占1%，當某個存儲塊發(fā)生錯誤后可以進行標注，并以冗余塊代替

uSamsung、TOSHIBA和Fujistu三家公司支持采用NAND技術NAND Flash。目前，Samsung公司推出的最大存儲容量可達8Gbit。NAND主要作為SmartMedia卡、Compact Flash卡、PCMCIA ATA卡、固態(tài)盤的存儲介質(zhì)，并正成為Flash磁盤技術的核心。

2.NAND FLASH和NOR FLASH的比較

1)性能比較

flash閃存是非易失存儲器，可以對稱為塊的存儲器單元塊進行擦寫和再編程。任何flash器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進行，所以大多數(shù)情況下，在進行寫入操作之前必須先執(zhí)行擦除。NAND器件執(zhí)行擦除操作是十分簡單的，而NOR則要求在進行擦除前先要將目標塊內(nèi)所有的位都寫為0。

由于擦除NOR器件時是以64～128KB的塊進行的，執(zhí)行一個寫入/擦除操作的時間為5s，與此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的塊進行的，執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms。

執(zhí)行擦除時塊尺寸的不同進一步拉大了NOR和NADN之間的性能差距，統(tǒng)計表明，對于給定的一套寫入操作(尤其是更新小文件時)，更多的擦除操作必須在基于NOR的單元中進行。這樣，當選擇存儲解決方案時，設計師必須權衡以下的各項因素。

　　● NOR的讀速度比NAND稍快一些。

　　● NAND的寫入速度比NOR快很多。

　　● NAND的4ms擦除速度遠比NOR的5s快。

　　●大多數(shù)寫入操作需要先進行擦除操作。

　　● NAND的擦除單元更小，相應的擦除電路更少。

2)接口差別

NOR flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來尋址，可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個字節(jié)。

NAND器件使用復雜的I/O口來串行地存取數(shù)據(jù)，共用8位總線（各個產(chǎn)品或廠商的方法可能各不相同）。8個引腳用來傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信息。NAND讀和寫操作采用512字節(jié)的頁和32KB的塊為單位，這一點有點像硬盤管理此類操作，很自然地，基于NAND的存儲器就可以取代硬盤或其他塊設備。

3)容量和成本

NAND flash的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半，由于生產(chǎn)過程更為簡單，NAND結構可以在給定的模具尺寸內(nèi)提供更高的容量，也就相應地降低了價格，大概只有NOR的十分之一。

NOR flash占據(jù)了容量為1～16MB閃存市場的大部分，而NAND flash只是用在8～128MB的產(chǎn)品當中，這也說明NOR主要應用在代碼存儲介質(zhì)中，NAND適合于數(shù)據(jù)存儲，NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存儲卡市場上所占份額最大。

4)可靠性和耐用性

采用flahs介質(zhì)時一個需要重點考慮的問題是可靠性。對于需要擴展MTBF的系統(tǒng)來說，F(xiàn)lash是非常合適的存儲方案?？梢詮膲勖?耐用性)、位交換和壞塊處理三個方面來比較NOR和NAND的可靠性。

在NAND閃存中每個塊的最大擦寫次數(shù)是一百萬次，而NOR的擦寫次數(shù)是十萬次。NAND存儲器除了具有10比1的塊擦除周期優(yōu)勢，典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8倍，每個NAND存儲器塊在給定的時間內(nèi)的刪除次數(shù)要少一些。

5)位交換（錯誤率）

所有flash器件都受位交換現(xiàn)象的困擾。在某些情況下(很少見，NAND發(fā)生的次數(shù)要比NOR多)，一個比特位會發(fā)生反轉或被報告反轉了。一位的變化可能不很明顯，但是如果發(fā)生在一個關鍵文件上，這個小小的故障可能導致系統(tǒng)停機。如果只是報告有問題，多讀幾次就可能解決了。當然，如果這個位真的改變了，就必須采用錯誤探測/錯誤更正(EDC/ECC)算法。位反轉的問題更多見于NAND閃存，NAND的供應商建議使用NAND閃存的時候，同時使用EDC/ECC算法。

這個問題對于用NAND存儲多媒體信息時倒不是致命的。當然，如果用本地存儲設備來存儲操作系統(tǒng)、配置文件或其他敏感信息時，必須使用EDC/ECC系統(tǒng)以確?？煽啃?。

6)壞塊處理

NAND器件中的壞塊是隨機分布的。以前也曾有過消除壞塊的努力，但發(fā)現(xiàn)成品率太低，代價太高，根本不劃算。NAND器件需要對介質(zhì)進行初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊，并將壞塊標記為不可用?，F(xiàn)在的FLSAH一般都提供冗余塊來代替壞塊如發(fā)現(xiàn)某個塊的數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤（ECC校驗），則將該塊標注成壞塊，并以冗余塊代替。這導致了在NAND Flash中，一般都需要對壞塊進行編號管理，讓每一個塊都有自己的邏輯地址。

7)易于使用

可以非常直接地使用基于NOR的閃存，可以像其他存儲器那樣連接，并可以在上面直接運行代碼。由于需要I/O接口，NAND要復雜得多。各種NAND器件的存取方法因廠家而異。在使用NAND器件時，必須先寫入驅(qū)動程序，才能繼續(xù)執(zhí)行其他操作。向NAND器件寫入信息需要相當?shù)募记?，因為設計師絕不能向壞塊寫入，這就意味著在NAND器件上自始至終都必須進行虛擬映射。

8)軟件支持

當討論軟件支持的時候，應該區(qū)別基本的讀/寫/擦操作和高一級的用于磁盤仿真和閃存管理算法的軟件，包括性能優(yōu)化。在NOR器件上運行代碼不需要任何的軟件支持，在NAND器件上進行同樣操作時，通常需要驅(qū)動程序，也就是內(nèi)存技術驅(qū)動程序(MTD)，NAND和NOR器件在進行寫入和擦除操作時都需要MTD。使用NOR器件時所需要的MTD要相對少一些，許多廠商都提供用于NOR器件的更高級軟件，這其中包括M-System的TrueFFS驅(qū)動，該驅(qū)動被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等廠商所采用。驅(qū)動還用于對DiskOnChip產(chǎn)品進行仿真和NAND閃存的管理，包括糾錯、壞塊處理和損耗平衡。

在掌上電腦里要使用NAND FLASH存儲數(shù)據(jù)和程序，但是必須有NOR FLASH來啟動。除了SAMSUNG處理器，其他用在掌上電腦的主流處理器還不支持直接由NAND FLASH啟動程序。因此，必須先用一片小的NOR FLASH啟動機器，在把OS等軟件從NAND FLASH載入SDRAM中運行才行。

9)主要供應商

NOR FLASH的主要供應商是INTEL ,MICRO等廠商，曾經(jīng)是FLASH的主流產(chǎn)品，但現(xiàn)在被NANDFLASH擠的比較難受。它的優(yōu)點是可以直接從FLASH中運行程序，但是工藝復雜，價格比較貴。

NAND FLASH的主要供應商是SAMSUNG和東芝，在U盤、各種存儲卡、MP3播放器里面的都是這種FLASH，由于工藝上的不同，它比NORFLASH擁有更大存儲容量，而且便宜。但也有缺點，就是無法尋址直接運行程序，只能存儲數(shù)據(jù)。另外NAND FLASH非常容易出現(xiàn)壞區(qū)，所以需要有校驗的算法。

3．NAND Flash的硬件設計

NAND FLASH是采用與非門結構技術的非易失存儲器，有8位和16位兩種組織形式，下面以8位的NAND FLASH進行討論。

1)接口信號

與NOR Flash相比較，其數(shù)據(jù)線寬度只有8bit，沒有地址總線，I/O接口可用于控制命令和地址的輸入，也可用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出，多了CLE和ALE來區(qū)分總線上的數(shù)據(jù)類別。

2)地址結構

NAND FLASH主要以頁（page）為單位進行讀寫，以塊(block)為單位進行擦除。FLASH頁的大小和塊的大小因不同類型塊結構而不同，塊結構有兩種：小塊（圖7）和大塊（圖8），小塊NAND FLASH包含32個頁，每頁512+16字節(jié)；大塊NAND FLASH包含64頁，每頁2048+64字節(jié)。

圖7小塊類型NAND FLASH

圖8大塊類型NAND FLASH

其中，512B（或1024B）用于存放數(shù)據(jù)，16B（64B）用于存放其他信息（包括：塊好壞的標記、塊的邏輯地址、頁內(nèi)數(shù)據(jù)的ECC校驗和等）。NAND設備的隨機讀取得效率很低，一般以頁為單位進行讀操作。系統(tǒng)在每次讀一頁后會計算其校驗和，并和存儲在頁內(nèi)的冗余的16B內(nèi)的校驗和做比較，以此來判斷讀出的數(shù)據(jù)是否正確。

大塊和小塊NAND FLASH都有與頁大小相同的頁寄存器，用于數(shù)據(jù)緩存。當讀數(shù)據(jù)時，先從NAND FLASH內(nèi)存單元把數(shù)據(jù)讀到頁寄存器，外部通過訪問NAND FLASH I/O端口獲得頁寄存器中數(shù)據(jù)（地址自動累加）；當寫數(shù)據(jù)時，外部通過NAND FLASH I/O端口輸入的數(shù)據(jù)首先緩存在頁寄存器，寫命令發(fā)出后才寫入到內(nèi)存單元中。

3)接口電路設計（以下以2410和K9F1208U為例）

2410處理器擁有專門針對NAND設備的接口，可以很方便地和NAND設備對接，如圖9所示。雖然NAND設備的接口比較簡單，容易接到系統(tǒng)總線上，但2410處理器針對NAND設備還集成了硬件ECC校驗，這將大大提高NAND設備的讀寫效率。當沒有處理器的ECC支持時，就需要由軟件來完成ECC校驗，這將消耗大量的CPU資源，使讀寫速度下降。

圖9S3C2410與NAND FLASH接口電路示意圖

3．NAND FLASH的軟件編寫和調(diào)試

NAND設備的軟件調(diào)試一般分為以下幾個步驟：設置相關寄存器、NAND設備的初始化、NAND設備的識別、NAND設備的讀擦寫（帶ECC校驗）

NAND設備的操作都是需要通過命令來完成，不同廠家的命令稍有不同，以下一Samsung公司的K9F1208U0M命令表為例介紹NAND設備的軟件編寫。

表2K9F1208U0MCommand Sets

1)根據(jù)2410寄存器定義如下的命令宏

#define NF_CMD(cmd){rNFCMD=cmd;}

#define NF_ADDR(addr){rNFADDR=addr;}

#define NF_nFCE_L(){rNFCONF&=~(1<<11);}

#define NF_nFCE_H(){rNFCONF|=(1<<11);}

#define NF_RSTECC(){rNFCONF|=(1<<12);}

#define NF_RDDATA()(rNFDATA)

#define NF_WRDATA(data) {rNFDATA=data;}

#define NF_WAITRB(){while(!(rNFSTAT&(1<<0)));}

//wait tWB and check F_RNB pin.

2)NAND設備的初始化

static void NF_Init(void)//Flash初始化

{

rNFCONF=(1<<15)|(1<<14)|(1<<13)|(1<<12)|(1<<11)|(TACLS<<8)|(TWRPH0<<4)|(TWRPH1<<0);//設置NAND設備的相關寄存器

NF_Reset();

}

static void NF_Reset(void)//Flash重置

{

int i;

NF_nFCE_L();

NF_CMD(0xFF);//reset command

for(i=0;i<10;i++);//tWB = 100ns

NF_WAITRB();//wait 200~500us;

NF_nFCE_H();

}

3)NAND設備的識別//#define ID_K9F1208U0M0xec76

static U16 NF_CheckId(void)//Id辨別

{

int i;

U16 id;

NF_nFCE_L();

NF_CMD(0x90);

NF_ADDR(0x0);

for(i=0;i<10;i++);//wait tWB(100ns)

id=NF_RDDATA()<<8;// Maker code(K9F1208U:0xec)

id|=NF_RDDATA();// Devide code(K9F1208U:0x76)

NF_nFCE_H();

return id;

}

4)NAND的擦操作

static int NF_EraseBlock(U32 block)

{

U32 blockPage=(block<<5);

int i;

NF_nFCE_L();

NF_CMD(0x60[q1]);// Erase one block 1st command

NF_ADDR(blockPage&0xff);// Page number="0"

NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff);

NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff);

NF_CMD(0xd0[q2]);// Erase one blcok 2nd command

for(i=0;i<10;i++);//wait tWB(100ns)//??????

NF_WAITRB();// Wait tBERS max 3ms.

NF_CMD(0x70);//Read status command

if (NF_RDDATA()&0x1)// Erase error

{

NF_nFCE_H();

Uart_Printf("[ERASE_ERROR:block#=%d]n",block);

return 0;

}

else

{

NF_nFCE_H();

return 1;

}

}

5)NAND的讀操作

static int NF_ReadPage(U32 block,U32 page,U8 *buffer)//讀Flash

{

int i;

unsigned int blockPage;

U8 ecc0,ecc1,ecc2;

U8 *bufPt=buffer;

U8 se[16];

page=page&0x1f;//32頁

blockPage=(block<<5)+page;//1Bolck包含32頁

NF_RSTECC();// Initialize ECC

NF_nFCE_L();

NF_CMD(0x00);// Read command

NF_ADDR(0);// Column = 0

NF_ADDR(blockPage&0xff);//

NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff);// Block & Page num.

NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff);//

for(i=0;i<10;i++);//wait tWB(100ns)

NF_WAITRB();// Wait tR(max 12us)

for(i=0;i<512;i++)

{

*bufPt++=NF_RDDATA();// Read one page

}

ecc0=rNFECC0;//利用2410自帶的硬件ECC校驗

ecc1=rNFECC1;

ecc2=rNFECC2;

for(i=0;i<16;i++)

{

se[i]=NF_RDDATA();// Read spare array

//讀頁內(nèi)冗余的16B

}

NF_nFCE_H();

if(ecc0==se[0] && ecc1==se[1] && ecc2==se[2])//未知使用哪一種軟件規(guī)范？

{//比較數(shù)據(jù)結果是否正確

Uart_Printf("[ECC OK:%x,%x,%x]n",se[0],se[1],se[2]);

return 1;

}

else

{

Uart_Printf("[ECC ERROR(RD):read:%x,%x,%x, reg:%x,%x,%x]n",

se[0],se[1],se[2],ecc0,ecc1,ecc2);

return 0;

}

}

6)NAND的寫操作

static int NF_WritePage(U32 block,U32 page,U8 *buffer)//寫Flash

{

int i;

U32 blockPage=(block<<5)+page;

U8 *bufPt=buffer;

NF_RSTECC();// Initialize ECC

NF_nFCE_L();

NF_CMD(0x0[q4]);//Read Mode 1

NF_CMD(0x80);// Write 1st command,數(shù)據(jù)輸入

NF_ADDR(0);// Column 0

NF_ADDR(blockPage&0xff);

NF_ADDR((blockPage>>8)&0xff);// Block & page num.

NF_ADDR((blockPage>>16)&0xff);

for(i=0;i<512;i++)

{

NF_WRDATA(*bufPt++);// Write one page to NFM from buffer

}

seBuf[0]=rNFECC0;

seBuf[1]=rNFECC1;

seBuf[2]=rNFECC2;

seBuf[5]=0xff;// Marking good block

for(i=0;i<16;i++)

{

NF_WRDATA(seBuf[i]);// Write spare array(ECC and Mark)

}

NF_CMD(0x10);// Write 2nd command

for(i=0;i<10;i++);//tWB = 100ns.

NF_WAITRB();//wait tPROG 200~500us;

NF_CMD(0x70);// Read status command

for(i=0;i<3;i++);//twhr=60ns

if (NF_RDDATA()&0x1)// Page write error

{

NF_nFCE_H();

Uart_Printf("[PROGRAM_ERROR:block#=%d]n",block);

return 0;

}

else

{

NF_nFCE_H();

#if (WRITEVERIFY==1)

//return NF_VerifyPage(block,page,pPage);

#else

return 1;

#endif

}

}

以下討論一下NAND設備上所支持的文件系統(tǒng)，大概現(xiàn)在有以下幾種：

A.JFFS2（沒有壞塊處理，支持大容量存儲的時候需要消耗大量的內(nèi)存，大量的隨機訪問降低了NAND設備的讀取效率）和YAFFS（速度快，但不支持文件的壓縮和解壓）

B.支持DiskOnChip設備的TRUEFFS（True Flash File System）. TRUEFFS是M-Systems公司為其產(chǎn)品DiskOnChip開發(fā)的文件系統(tǒng)，其規(guī)范并不開放。

C.由SSFDC（Solid State Floppy Disk Card）論壇定義的支持SM卡的DOS-FAT。SM卡的DOS-FAT文件系統(tǒng)是由SSFDC論壇定義的，但它必須用在標準的塊設備上。

對于大量用在各類存儲卡上的NAND設備而言，他們幾乎都采用FAT文件系統(tǒng)，而在嵌入式操作系統(tǒng)下，還沒有驅(qū)動程序可以直接讓NAND設備采用文件系統(tǒng)，就技術角度來說，F(xiàn)AT文件系統(tǒng)不是很適合NAND設備，因為FAT文件系統(tǒng)的文件分區(qū)表需要不斷地擦寫，而NAND設備的只能有限次的擦寫。

在上面已經(jīng)很明顯的提到，NAND設備存在壞塊，為和上層文件系統(tǒng)接口，NAND設備的驅(qū)動程序必須給文件系統(tǒng)提供一個可靠的存儲空間，這就需要ECC（Error Corection Code）校驗，壞塊標注、地址映射等一系列的技術手段來達到可靠存儲目的。

SSFDC軟件規(guī)范中，詳細定義了如何利用NAND設備每個頁中的冗余信息來實現(xiàn)上述功能。這個軟件規(guī)范中，很重要的一個概念就是塊的邏輯地址，它將在物理上可能不連續(xù)、不可靠的空間分配編號，為他們在邏輯空間上給系統(tǒng)文件提供一個連續(xù)可靠的存儲空間。

表3給出了SSFDC規(guī)范中邏輯地址的標注方法。在系統(tǒng)初始化的時候，驅(qū)動程序先將所有的塊掃描一遍，讀出他們所對應的邏輯地址，并把邏輯地址和虛擬地址的映射表建好。系統(tǒng)運行時，驅(qū)動程序通過查詢映射表，找到需要訪問的邏輯地址所對應的物理地址然后進行數(shù)據(jù)讀寫。

表3冗余字節(jié)定義

表4給出了塊邏輯地址的存放格式，LA表示邏輯地址，P代表偶校驗位。邏輯地址只有10bit，代表只有1024bit的尋址空間。而SSFDC規(guī)范將NAND設備分成了多個zone，每個zone內(nèi)有1024塊，但這物理上的1024塊映射到邏輯空間只有1000塊，其他的24塊就作為備份使用，當有壞塊存在時，就可以以備份塊將其替換。

表4邏輯地址格式

有了以上的軟件規(guī)范，就可以對NAND設備寫出較標準的ECC校驗，并可以編寫檢測壞塊、標記壞塊、建立物理地址和邏輯地址的映射表的程序了。

static int NF_IsBadBlock(U32 block)//檢測壞塊

{

}

static int NF_MarkBadBlock(U32 block)//標記壞塊

{

}

int search_logic_block(void)//建立物理地址到邏,輯地址的映射表

{

}

這段代碼的主要作用就是產(chǎn)生數(shù)組lg2ph[],這個數(shù)組的含義就是“塊物理地址=lg2ph[邏輯地址]”。