nand flash讀寫 （一）

NAND FLASH 在對(duì)大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要中日益發(fā)展，到現(xiàn)今，所有的數(shù)碼相機(jī)、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(jiǎn)介

NOR Flash：

u 程序和數(shù)據(jù)可存放在同一片芯片上，擁有獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線和地址總線，能快速隨機(jī)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(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行編程之前需要對(duì)塊或整片進(jìn)行預(yù)編程和擦除操作。

NAND FLASH

u 以頁(yè)為單位進(jìn)行讀寫操作，1頁(yè)為256B或512B；以塊為單位進(jìn)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(shí)現(xiàn)串行讀取。隨機(jī)讀取速度慢且不能按字節(jié)隨機(jī)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(chǔ)器

u 芯片存儲(chǔ)位錯(cuò)誤率較高，推薦使用 ECC校驗(yàn)，并包含有冗余塊，其數(shù)目大概占1%，當(dāng)某個(gè)存儲(chǔ)塊發(fā)生錯(cuò)誤后可以進(jìn)行標(biāo)注，并以冗余塊代替

u Samsung、TOSHIBA和Fujistu三家公司支持采用NAND技術(shù)NAND Flash。目前，Samsung公司推出的最大存儲(chǔ)容量可達(dá)8Gbit。NAND 主要作為SmartMedia卡、Compact Flash卡、PCMCIA ATA卡、固態(tài)盤的存儲(chǔ)介質(zhì)，并正成為Flash磁盤技術(shù)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(chǔ)器，可以對(duì)稱為塊的存儲(chǔ)器單元塊進(jìn)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(jìn)行，所以大多數(shù)情況下，在進(jìn)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(jiǎn)單的，而NOR則要求在進(jìn)行擦除前先要將目標(biāo)塊內(nèi)所有的位都寫為0。

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

執(zhí)行擦除時(shí)塊尺寸的不同進(jìn)一步拉大了NOR和NADN之間的性能差距，統(tǒng)計(jì)表明，對(duì)于給定的一套寫入操作(尤其是更新小文件時(shí))，更多的擦除操作必須在基于NOR的單元中進(jìn)行。這樣，當(dāng)選擇存儲(chǔ)解決方案時(shí)，設(shè)計(jì)師必須權(quán)衡以下的各項(xiàng)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(yuǎn)比NOR的5s快。

　　● 大多數(shù)寫入操作需要先進(jìn)行擦除操作。

　　● NAND的擦除單元更小，相應(yīng)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(gè)字節(jié)。

NAND器件使用復(fù)雜的I/O口來串行地存取數(shù)據(jù)，共用8位總線（各個(gè)產(chǎn)品或廠商的方法可能各不相同）。8個(gè)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(yè)和32KB的塊為單位，這一點(diǎn)有點(diǎn)像硬盤管理此類操作，很自然地，基于NAND的存儲(chǔ)器就可以取代硬盤或其他塊設(shè)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(jiǎn)單，NAND結(jié)構(gòu)可以在給定的模具尺寸內(nèi)提供更高的容量，也就相應(yīng)地降低了價(jià)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(chǎng)的大部分，而NAND flash只是用在8～128MB的產(chǎn)品當(dāng)中，這也說明NOR主要應(yīng)用在代碼存儲(chǔ)介質(zhì)中，NAND適合于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存儲(chǔ)卡市場(chǎng)上所占份額最大。

4) 可靠性和耐用性

采用flahs介質(zhì)時(shí)一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的問題是可靠性。對(duì)于需要擴(kuò)展MTBF的系統(tǒng)來說，F(xiàn)lash是非常合適的存儲(chǔ)方案?？梢詮膲勖?耐用性)、位交換和壞塊處理三個(gè)方面來比較NOR和NAND的可靠性。

在NAND閃存中每個(gè)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(chǔ)器除了具有10比1的塊擦除周期優(yōu)勢(shì)，典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8倍，每個(gè)NAND存儲(chǔ)器塊在給定的時(shí)間內(nèi)的刪除次數(shù)要少一些。

5) 位交換（錯(cuò)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(gè)比特位會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)或被報(bào)告反轉(zhuǎn)了。一位的變化可能不很明顯，但是如果發(fā)生在一個(gè)關(guān)鍵文件上，這個(gè)小小的故障可能導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。如果只是報(bào)告有問題，多讀幾次就可能解決了。當(dāng)然，如果這個(gè)位真的改變了，就必須采用錯(cuò)誤探測(cè)/錯(cuò)誤更正(EDC/ECC)算法。位反轉(zhuǎn)的問題更多見于NAND閃存，NAND的供應(yīng)商建議使用NAND閃存的時(shí)候，同時(shí)使用EDC/ECC算法。

這個(gè)問題對(duì)于用NAND存儲(chǔ)多媒體信息時(shí)倒不是致命的。當(dāng)然，如果用本地存儲(chǔ)設(shè)備來存儲(chǔ)操作系統(tǒng)、配置文件或其他敏感信息時(shí)，必須使用EDC/ECC系統(tǒng)以確保可靠性。

6) 壞塊處理

NAND器件中的壞塊是隨機(jī)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(jià)太高，根本不劃算。NAND器件需要對(duì)介質(zhì)進(jìn)行初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊，并將壞塊標(biāo)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(gè)塊的數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤（ECC校驗(yàn)），則將該塊標(biāo)注成壞塊，并以冗余塊代替。這導(dǎo)致了在NAND Flash 中，一般都需要對(duì)壞塊進(jìn)行編號(hào)管理，讓每一個(gè)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(chǔ)器那樣連接，并可以在上面直接運(yùn)行代碼。由于需要I/O接口，NAND要復(fù)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(shí)，必須先寫入驅(qū)動(dòng)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(dāng)?shù)募记?，因?yàn)樵O(shè)計(jì)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(jìn)行虛擬映射。

8) 軟件支持

當(dāng)討論軟件支持的時(shí)候，應(yīng)該區(qū)別基本的讀/寫/擦操作和高一級(jí)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(yùn)行代碼不需要任何的軟件支持，在NAND器件上進(jìn)行同樣操作時(shí)，通常需要驅(qū)動(dòng)程序，也就是內(nèi)存技術(shù)驅(qū)動(dòng)程序(MTD)，NAND和NOR器件在進(jìn)行寫入和擦除操作時(shí)都需要MTD。使用NOR器件時(shí)所需要的MTD要相對(duì)少一些，許多廠商都提供用于NOR器件的更高級(jí)軟件，這其中包括M-System的TrueFFS驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等廠商所采用。驅(qū)動(dòng)還用于對(duì)DiskOnChip產(chǎn)品進(jìn)行仿真和NAND閃存的管理，包括糾錯(cuò)、壞塊處理和損耗平衡。

在掌上電腦里要使用NAND FLASH 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序，但是必須有NOR FLASH來啟動(dòng)。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(dòng)程序。因此，必須先用一片小的NOR FLASH 啟動(dòng)機(jī)器，在把OS等軟件從NAND FLASH 載入SDRAM中運(yùn)行才行。

9) 主要供應(yīng)商

NOR FLASH的主要供應(yīng)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(diǎn)是可以直接從FLASH中運(yùn)行程序，但是工藝復(fù)雜，價(jià)格比較貴。

NAND FLASH的主要供應(yīng)商是SAMSUNG和東芝，在U盤、各種存儲(chǔ)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(chǔ)容量，而且便宜。但也有缺點(diǎn)，就是無法尋址直接運(yùn)行程序，只能存儲(chǔ)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(yàn)的算法。

3．NAND Flash的硬件設(shè)計(jì)

NAND FLASH是采用與非門結(jié)構(gòu)技術(shù)的非易失存儲(chǔ)器，有8位和16位兩種組織形式，下面以8位的NAND FLASH進(jìn)行討論。

1) 接口信號(hào)

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。

信號(hào)

類型

描述

CLE

O

命令鎖存使能

ALE

O

地址鎖存使能

nFCE

O

NAND Flash片選

NFRE

O

NAND Flash讀使能

nFWE

O

NAND Flash寫使能

NCON

I

NAND Flash配置

R/nB

I

NAND Flash Ready/Busy

2) 地址結(jié)構(gòu)

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

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圖7 小塊類型NAND FLASH

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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(biāo)記、塊的邏輯地址、頁(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)的ECC校驗(yàn)和等）。NAND設(shè)備的隨機(jī)讀取得效率很低，一般以頁(yè)為單位進(jìn)行讀操作。系統(tǒng)在每次讀一頁(yè)后會(huì)計(jì)算其校驗(yàn)和，并和存儲(chǔ)在頁(yè)內(nèi)的冗余的16B內(nèi)的校驗(yàn)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(yè)大小相同的頁(yè)寄存器，用于數(shù)據(jù)緩存。當(dāng)讀數(shù)據(jù)時(shí)，先從NAND FLASH內(nèi)存單元把數(shù)據(jù)讀到頁(yè)寄存器，外部通過訪問NAND FLASH I/O端口獲得頁(yè)寄存器中數(shù)據(jù)（地址自動(dòng)累加）；當(dāng)寫數(shù)據(jù)時(shí)，外部通過NAND FLASH I/O端口輸入的數(shù)據(jù)首先緩存在頁(yè)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(shè)計(jì)（以下以2410和K9F1208U為例）

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

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圖9 S3C2410與NAND FLASH接口電路示意圖

3．NAND FLASH 的軟件編寫和調(diào)試

NAND設(shè)備的軟件調(diào)試一般分為以下幾個(gè)步驟：設(shè)置相關(guān)寄存器、NAND 設(shè)備的初始化、NAND設(shè)備的識(shí)別、NAND設(shè)備的讀擦寫（帶ECC校驗(yàn) ）

NAND設(shè)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(shè)備的軟件編寫。

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表2 K9F1208U0M Comm