NAND與NOR FLASH的原理與異同

一、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的原理
兩種閃存都是用三端器件作為存儲(chǔ)單元，分別為源極、漏極和柵極，與場效應(yīng)管的工作原理相同，主要是利用電場的效應(yīng)來控制源極與漏極之間的通斷，柵極的 電流消耗極小，不同的是場效應(yīng)管為單柵極結(jié)構(gòu)，而FLASH為雙柵極結(jié)構(gòu)，在柵極與硅襯底之間增加了一個(gè)浮置柵極。

浮置柵極是由氮化物夾在兩層二氧化硅材料之間構(gòu)成的，中間的氮化物就是可以存儲(chǔ)電荷的電荷勢阱。上下兩層氧化物的厚度大于50埃，以避免發(fā)生擊穿。
二、浮柵的重放電
向數(shù)據(jù)單元內(nèi)寫入數(shù)據(jù)的過程就是向電荷勢阱注入電荷的過程，寫入數(shù)據(jù)有兩種技術(shù)，熱電子注入(hot electron injection)和F-N隧道效應(yīng)(Fowler Nordheim tunneling)，前一種是通過源極給浮柵充電，后一種是通過硅基層給浮柵充電。NOR型FLASH通過熱電子注入方式給浮柵充電，而NAND則通過 F-N隧道效應(yīng)給浮柵充電。
在寫入新數(shù)據(jù)之前，必須先將原來的數(shù)據(jù)擦除，這點(diǎn)跟硬盤不同，也就是將浮柵的電荷放掉，兩種FLASH都是通過F-N隧道效應(yīng)放電。

三、0和1
這方面兩種FLASH一樣，向浮柵中注入電荷表示寫入了‘0‘，沒有注入電荷表示‘1‘，所以對(duì)FLASH清除數(shù)據(jù)是寫1的，這與硬盤正好相反；
對(duì)于浮柵中有電荷的單元來說，由于浮柵的感應(yīng)作用，在源極和漏極之間將形成帶正電的空間電荷區(qū)，這時(shí)無論控制極上有沒有施加偏置電壓，晶體管都將處于 導(dǎo)通狀態(tài)。而對(duì)于浮柵中沒有電荷的晶體管來說只有當(dāng)控制極上施加有適當(dāng)?shù)钠秒妷?，在硅基層上感?yīng)出電荷，源極和漏極才能導(dǎo)通，也就是說在沒有給控制極施 加偏置電壓時(shí)，晶體管是截止的。
如果晶體管的源極接地而漏極接位線，在無偏置電壓的情況下，檢測晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)就可以獲得存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)，如果位線上的電平為低，說明晶體管處于 導(dǎo)通狀態(tài)，讀取的數(shù)據(jù)為0，如果位線上為高電平，則說明晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，讀取的數(shù)據(jù)為1。由于控制柵極在讀取數(shù)據(jù)的過程中施加的電壓較小或根本不施加 電壓，不足以改變浮置柵極中原有的電荷量，所以讀取操作不會(huì)改變FLASH中原有的數(shù)據(jù)。
四、連接和編址方式
兩種FLASH具有相同的存儲(chǔ)單元，工作原理也一樣，為了縮短存取時(shí)間并不是對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行單獨(dú)的存取操作，而是對(duì)一定數(shù)量的存取單元進(jìn)行集體操作， NAND型FLASH各存儲(chǔ)單元之間是串聯(lián)的，而NOR型FLASH各單元之間是并聯(lián)的；為了對(duì)全部的存儲(chǔ)單元有效管理，必須對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行統(tǒng)一編址。
NAND的全部存儲(chǔ)單元分為若干個(gè)塊，每個(gè)塊又分為若干個(gè)頁，每個(gè)頁是512byte，就是512個(gè)8位數(shù)，就是說每個(gè)頁有512條位線，每條位線下 有8個(gè)存儲(chǔ)單元；那么每頁存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)正好跟硬盤的一個(gè)扇區(qū)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)相同，這是設(shè)計(jì)時(shí)為了方便與磁盤進(jìn)行數(shù)據(jù)交換而特意安排的，那么塊就類似硬盤的簇；容 量不同，塊的數(shù)量不同，組成塊的頁的數(shù)量也不同。在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)字線和位線鎖定某個(gè)晶體管時(shí)，該晶體管的控制極不加偏置電壓，其它的7個(gè)都加上偏置電壓 而導(dǎo)通，如果這個(gè)晶體管的浮柵中有電荷就會(huì)導(dǎo)通使位線為低電平，讀出的數(shù)就是0，反之就是1。
NOR的每個(gè)存儲(chǔ)單元以并聯(lián)的方式連接到位線，方便對(duì)每一位進(jìn)行隨機(jī)存?。痪哂袑Ｓ玫牡刂肪€，可以實(shí)現(xiàn)一次性的直接尋址；縮短了FLASH對(duì)處理器指令的執(zhí)行時(shí)間。

五、性能
1、速度
在寫數(shù)據(jù)和擦除數(shù)據(jù)時(shí)，NAND由于支持整塊擦寫操作，所以速度比NOR要快得多，兩者相差近千倍；讀取時(shí)，由于NAND要先向芯片發(fā)送地址信息進(jìn)行 尋址才能開始讀寫數(shù)據(jù)，而它的地址信息包括塊號(hào)、塊內(nèi)頁號(hào)和頁內(nèi)字節(jié)號(hào)等部分，要順序選擇才能定位到要操作的字節(jié)；這樣每進(jìn)行一次數(shù)據(jù)訪問需要經(jīng)過三次尋 址，至少要三個(gè)時(shí)鐘周期；而NOR型FLASH的操作則是以字或字節(jié)為單位進(jìn)行的，直接讀取，所以讀取數(shù)據(jù)時(shí)，NOR有明顯優(yōu)勢。
2、容量和成本
NOR型FLASH的每個(gè)存儲(chǔ)單元與位線相連，增加了芯片內(nèi)位線的數(shù)量，不利于存儲(chǔ)密度的提高。所以在面積和工藝相同的情況下，NAND型FLASH的容量比NOR要大得多，生產(chǎn)成本更低，也更容易生產(chǎn)大容量的芯片。
3、易用性
NAND　FLASH的I/O端口采用復(fù)用的數(shù)據(jù)線和地址線，必須先通過寄存器串行地進(jìn)行數(shù)據(jù)存取，各個(gè)產(chǎn)品或廠商對(duì)信號(hào)的定義不同，增加了應(yīng)用的難 度；NOR FLASH有專用的地址引腳來尋址，較容易與其它芯片進(jìn)行連接，另外還支持本地執(zhí)行，應(yīng)用程序可以直接在FLASH內(nèi)部運(yùn)行，可以簡化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
4、可靠性
NAND FLASH相鄰單元之間較易發(fā)生位翻轉(zhuǎn)而導(dǎo)致壞塊出現(xiàn)，而且是隨機(jī)分布的，如果想在生產(chǎn)過程中消除壞塊會(huì)導(dǎo)致成品率太低、性價(jià)比很差，所以在出廠前要在高 溫、高壓條件下檢測生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的壞塊，寫入壞塊標(biāo)記，防止使用時(shí)向壞塊寫入數(shù)據(jù)；但在使用過程中還難免產(chǎn)生新的壞塊，所以在使用的時(shí)候要配合 EDC/ECC(錯(cuò)誤探測/錯(cuò)誤更正)和BBM(壞塊管理)等軟件措施來保障數(shù)據(jù)的可靠性。壞塊管理軟件能夠發(fā)現(xiàn)并更換一個(gè)讀寫失敗的區(qū)塊，將數(shù)據(jù)復(fù)制到 一個(gè)有效的區(qū)塊。
5、耐久性
FLASH由于寫入和擦除數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)的氧化降解，導(dǎo)致芯片老化，在這個(gè)方面NOR尤甚，所以并不適合頻繁地擦寫，NAND的擦寫次數(shù)是100萬次，而NOR只有10萬次。

關(guān)于Nand Flash和Nor Flash的XIP

Nand-Flash/Nor-Flash存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)      隨著嵌入式系統(tǒng)越來越廣泛的應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)管理已經(jīng)成為一個(gè)重要的研究課題。Flash存儲(chǔ)器具有速度快、成本低等很多優(yōu)點(diǎn)，因此在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越多。為了合理地管理存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，F(xiàn)lash的設(shè)計(jì)在ARM嵌入式系統(tǒng)中對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)管理尤為重要。 1實(shí)例說明 在嵌入式設(shè)備中，有兩種程序運(yùn)行方式：一種是將程序加載到SDRAM中運(yùn)行，另一種是程序直接在其所在的ROM/Flash存儲(chǔ)器中運(yùn)行。一種比較常用的運(yùn)行程序的方法是將該Flash存儲(chǔ)器作為一個(gè)硬盤使用，當(dāng)程序需要運(yùn)行時(shí)，首先將其加載到SDRAM存儲(chǔ)器中，在SDRAM中運(yùn)行。通常相對(duì)于：ROM而言，SDRAM訪問速度較快，數(shù)據(jù)總線較寬，程序存SDRAM中的運(yùn)行速度比在Flash中的運(yùn)行速度要快。   ARM 中的存儲(chǔ)模塊示意圖如圖7-1所示。 其中，各功能模塊的含義如下。 (1)系統(tǒng)初始化——進(jìn)行系統(tǒng)的最小初始化，包括初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、系統(tǒng)的中斷向量表、SDRAM及一些其他的重要I/O端口。 (2)映像文件下載——通過一定的方式，得到新的目標(biāo)程序的映像文件，將該文件保存到系統(tǒng)的SDRAM中。要完成這部分工作，ARM嵌入式設(shè)備需要與外部的主機(jī)建立某種通道，大部分系統(tǒng)都是使用串行口，也可以使用以太網(wǎng)口或者并行口進(jìn)行通信。  (2)Flash寫入——根據(jù)不同的Flash存儲(chǔ)器，選擇合適的操作命令，將新的目標(biāo)程序的映像文件寫入到目標(biāo)系統(tǒng)的Flash存儲(chǔ)器中，實(shí)現(xiàn)Flash存儲(chǔ)器操作的功能模塊。 在本實(shí)例里，F(xiàn)lash用于存放程序代碼、常量表和一些存系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等。 2 Flash原理 2.1 Nand-Flash與Nor-Flash區(qū)別 Flash主要分為Nor-Flash和Nand-Flash兩類，下面對(duì)二者進(jìn)行較為詳細(xì)的比較。 1． 性能比較 Flash閃存是非易失存儲(chǔ)器，可以對(duì)存儲(chǔ)器單元塊進(jìn)行擦寫和再編程。任何Flash器件進(jìn)行寫入操作前都必須先執(zhí)行擦除操作。Nand-Flash器件執(zhí)行擦除操作十分簡單；而Nor-Flash則要求在進(jìn)行擦除前，先將目標(biāo)塊內(nèi)所有的位都寫為0。擦除：Nor-Flash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1～5s；擦除Nand-Flash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)行擦除操作時(shí)，塊尺寸的不同進(jìn)一步拉大了Nor-Flash和Nand-Flash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-Flash的單元中進(jìn)行。因此，當(dāng)選擇存儲(chǔ)解決方案時(shí)，必須權(quán)衡以下的各項(xiàng)因素。 Nor-Flash的讀取速度比Nand-Flash稍快一些。 Nand-Flash的寫入速度比Nor-Flash快很多。 Nand-Flash的擦除速度遠(yuǎn)比Nor-Flash快。 大多數(shù)寫入操作需要先進(jìn)行擦除操作。 Nand-Flash的擦除單元更小，相應(yīng)的擦除電路更少。 2． 接口差別 Not-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)容的每一字節(jié)。 Nand-Flash器件使用復(fù)雜的I/O口來串行地存取數(shù)據(jù)，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-Flash的讀和寫操作采用512字節(jié)的塊，這一點(diǎn)有點(diǎn)像硬盤管理此類操作。很自然地，基于Nand-Flash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-Flash器件的一半。由于生產(chǎn)過程更為簡單，NaIld-Flash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。 Nor-Flash占據(jù)了大部分容量為1～16MB的內(nèi)存市場，而Nand-Flash只是用在8～128MB的產(chǎn)品當(dāng)中。 4． 可靠性和耐用性 采用Flash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(平均無故障時(shí)間)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-Flash和Nand-Flash的可靠性。 (1) 壽命(耐用性) 在Nand-Flash閃存中，每個(gè)塊的最大擦寫次數(shù)是100萬次，而Nor-Flash的擦寫次數(shù)是10萬次。Nand-Flash存儲(chǔ)器除了具有10：1的塊擦除周期優(yōu)勢外，典型的Nand-Flash塊尺寸要比Nor-Flash器件小8位，每個(gè)Nand-Flash存儲(chǔ)器塊在給定時(shí)間內(nèi)的刪除次數(shù)要少一些。 (2) 位交換    所有的Flash器件都受位交換現(xiàn)象的困擾。在某些情況下(Nand-Flash發(fā)生的次數(shù)要比Nor-Flash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)小小的故障就可能導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。如果只是報(bào)告有問題，則多讀幾次就可能解決。 位反轉(zhuǎn)的問題更多見于Nand-Flash閃存，Nand-Flash的供應(yīng)商建議使用Nand-Flash閃存時(shí)，同時(shí)使用EDC/ECC算法。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)，則必須使用EDC/ECC(糾錯(cuò)碼)系統(tǒng)以確?？煽啃?。 (3) 壞塊處理 Nand-Flash器件中的壞塊是隨機(jī)分布的。以前做過消除壞塊的努力，但發(fā)現(xiàn)成品率太低，代價(jià)太高，根本不劃算。Nand-Flash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。在已制成的器件中，如果通過可靠的方法不能進(jìn)行這項(xiàng)處理，則將導(dǎo)致高故障率。 5． 易用性 可以非常直接地使用基于Nor-Flash的閃存，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-Flash要復(fù)雜得多，各種Nand-Flash器件的存取方法因廠家而異。在使用Nand-Flash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-Flash器件寫入信息需要相當(dāng)?shù)募记桑驗(yàn)樵O(shè)計(jì)人員絕不能向壞塊寫入，這就意味著在Nand-Flash器件上自始至終都必須進(jìn)行虛擬映射。 6． 軟件支持 在Nor-Flash器件上運(yùn)行代碼不需要任何的軟件支持。在Nand-Flash器件上進(jìn)行同樣操作時(shí)，通常需要驅(qū)動(dòng)程序，也就是閃存技術(shù)驅(qū)動(dòng)程序(Memory Technology Devices，MTD)。Nand-Flash和Nor-Flash器件在進(jìn)行寫入和擦除操作時(shí)都需要MTD，但使用Nor-Flash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-Flash器件的更高級(jí)的軟件，在Linux系統(tǒng)中采用JFFS驅(qū)動(dòng)，這在后文中將具體講述。 2.2 Flash驅(qū)動(dòng) 對(duì)于Flash芯片的驅(qū)動(dòng)，Linux提供了完善的驅(qū)動(dòng)程序，只需要在內(nèi)核配置里面選擇好相應(yīng)的類型即可。 在Linux中通過MTD子系統(tǒng)提供的抽象設(shè)備機(jī)制，來實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash設(shè)備的管理控制和數(shù)據(jù)讀寫。MTD設(shè)備是一類特殊的存儲(chǔ)設(shè)備，如常用的Flash芯片、CFI卡等。MTD同時(shí)提供通過字符設(shè)備方式和塊設(shè)備方式來管理控制MTD設(shè)備的機(jī)制。 MTD核心層分為：用戶模塊接口層、MTD抽象層和MTD設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊層。MTD核心層通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備的物理訪問功能，通過用戶模塊提供用戶空間直接訪問的接口。 MTD的設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊層負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)Flash硬件，只需實(shí)現(xiàn)實(shí)際設(shè)備上的訪問控制，與內(nèi)核交互的復(fù)雜工作則由MTD抽象層完成。其中也對(duì)Nand-Flash的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了抽象，還實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)誤檢測與糾錯(cuò)(ECC)和壞塊處理等用戶模塊層提供從用戶空間直接訪問的接口，上層應(yīng)用只需通過MTD抽象層提供的字符設(shè)備方式或塊設(shè)備方式來訪問MTD抽象設(shè)備，然后通過MTD的內(nèi)部機(jī)制把這些請求交給實(shí)際的驅(qū)動(dòng)模塊去執(zhí)行。MTD抽象層定義了抽象的MTD設(shè)備結(jié)構(gòu)，對(duì)于具體設(shè)備的驅(qū)動(dòng)模塊，需要設(shè)計(jì)好公共函數(shù)的實(shí)際內(nèi)容，并在檢測到實(shí)際設(shè)備后注冊一個(gè)MTD設(shè)備，然后就可通過MTD提供的字符設(shè)備訪問方式或塊設(shè)備訪問方式直接使用具體的硬件設(shè)備。 MTD程序編寫在以后的章節(jié)里會(huì)詳細(xì)介紹。 3硬件電路設(shè)計(jì) 在系統(tǒng)中使用了兩種Flash芯片，其中Nor-Flash主要用于存放系統(tǒng)代碼，而Nand-Flash主要用于存放用戶信息。 3.1 Nor-FIash的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)所用的Nor-Flash芯片是Intel公司的E28F128J3 Flash，如圖7-2所示。128Mbit的存儲(chǔ)空間由128個(gè)128KB(131072字節(jié))的擦除塊組成。擦除塊是相互獨(dú)立的，每一塊的擦除操作都可以在1s內(nèi)完成。每一塊可以獨(dú)立地被擦除100000次。這些塊可以分別設(shè)定為是可鎖的或是非可鎖的，由一個(gè)鎖定位來控制。還有一個(gè)128bit的保護(hù)寄存器可以復(fù)用。 該Flash采用25根地址線和16位數(shù)據(jù)線，可以通過nBYTE這個(gè)信號(hào)來選擇是8位還是16位方式訪問。該系統(tǒng)是采用16位方式訪問的，因此該信號(hào)線接高電平，同時(shí)A0地址線不起作用，一同接高。nOE／nWE是讀寫信號(hào)，由EP7312的讀寫控制線直接控制。Flash的片選信號(hào)有3個(gè)，它們組合后的結(jié)果如表7-1所示。   系統(tǒng)中將CEl、CE2信號(hào)接高，CE0由ARM的CS0片選線來控制。 3.2 Nand-Flash的設(shè)計(jì)      系統(tǒng)中所采用的Nand-Flash芯片是Samsung公司的K9F2808U。該器件存儲(chǔ)容量為16M×8位，除此之外還有512KX 8位的空閑存儲(chǔ)區(qū)。該器件采用TSSOP48封裝，工作電壓為2.7～3.6V。8位I/O端口采用地址、數(shù)據(jù)和命令復(fù)用的方法，這樣既可減少引腳數(shù)，又可使接口電路簡捷。 由于ARM系統(tǒng)沒有Nand-Flash控制所需要的CLE、ALE信號(hào)，因此需要利用ARM的通用GPIO口。具體的連接電路如圖7-3所示。 命令鎖存使能(CLE)，使輸入的命令發(fā)送到命令寄存器。當(dāng)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，在WE上升沿命令通過I/O口鎖存到命令寄存器。 地址鎖存使能(ALE)，控制地址輸入到片內(nèi)的地址寄存器中，地址是在WE的上升沿被鎖存的。 片選使能(CE)，用于器件的選擇控制。在讀操作、CE變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，器件返回到  備用狀態(tài)；然而，當(dāng)器件在寫操作或擦除操作過程中保持忙狀態(tài)時(shí)，CE的變高將被忽略，不會(huì)返回到備用狀態(tài)。 寫使能(WE)，用于控制把命令、地址和數(shù)據(jù)在它的上升沿寫入到I/O端口；而在  讀操作時(shí)必須保持高電平。 讀使能(RE)，控制把數(shù)據(jù)放到I/O總線上，在它的下降沿tREA時(shí)間后數(shù)據(jù)有效；同時(shí)使內(nèi)部的列地址自動(dòng)加1。 I/O端口，用于命令、地址和數(shù)據(jù)的輸入及讀操作時(shí)的數(shù)據(jù)輸出。當(dāng)芯片未選中時(shí)，                I/O口為高阻態(tài)。 工寫保護(hù)(WP)，禁止寫操作和擦除操作。當(dāng)它有效時(shí)，內(nèi)部的高壓生成器將會(huì)復(fù)位。 準(zhǔn)備/忙(R/B)，反映當(dāng)前器件的狀態(tài)。低電平時(shí)，表示寫操作或擦除操作以及隨機(jī)讀正進(jìn)行中；當(dāng)它變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，表示這些操作已經(jīng)完成。它采用了開漏輸出結(jié)構(gòu)，在芯片未選中時(shí)不會(huì)保持高阻態(tài)。 3.3 Nor-F1ash/Nand-FIash跳線選擇 由于ARM提供了Nand-Flash Boot-loader技術(shù)和可選擇的多種啟動(dòng)方式，因此硬件設(shè)計(jì)中同時(shí)設(shè)計(jì)了Nor-Flash和Nand-Flash，通過跳線選擇啟動(dòng)方式，如圖7-4所示。 4軟件設(shè)計(jì)      Flash 存儲(chǔ)器的支撐軟件包括基本的讀/寫/擦除操作和上層的閃存管理軟件，采用的嵌入式Linux操作系統(tǒng)中通過MTD子系統(tǒng)提供的抽象設(shè)備機(jī)制，來實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash設(shè)備的管理控制和數(shù)據(jù)讀寫。 4.1 FIash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作流程      向Flash存儲(chǔ)器的特定寄存器寫入地址和數(shù)據(jù)命令，就可對(duì)Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行燒寫、擦除等操作，但操作必須按照一定的順序，否則就會(huì)導(dǎo)致Flash存儲(chǔ)器復(fù)位而使操作命令無法完成。編程指令只能使“1”變?yōu)?#8220;0”，而擦除命令可使“0”變?yōu)?#8220;1”，因此正確的操作順序是先擦除，后編程，當(dāng)Flash存儲(chǔ)器被擦除以后，讀出的內(nèi)容應(yīng)全為0xFF。 對(duì)Flash操作的程序流程如圖7-5所示。 系統(tǒng)啟動(dòng)后，對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備(包括ARM、sI)RAM、N0r-Flash和Nand-Flash等)進(jìn)行初始化操作，然后啟動(dòng)Boot-loader，將Nand-Flash上的Linux內(nèi)核讀入SDRAM執(zhí)行。 初始化時(shí)，除了對(duì)Flash內(nèi)部寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置外，還需要設(shè)置ARM的寄存器。 4.2程序代碼說明 對(duì)Flash存儲(chǔ)器的燒寫、整片擦除、按扇區(qū)擦除及其他操作，都可以通過編程實(shí)現(xiàn)(見如下代碼)。對(duì)于編寫連續(xù)燒寫Flash存儲(chǔ)器多個(gè)存儲(chǔ)單元的程序，只需循環(huán)執(zhí)行即可，但應(yīng)在對(duì)每個(gè)單元燒寫命令發(fā)出后進(jìn)行檢測，保證前一個(gè)單元燒寫結(jié)束后再進(jìn)行下一個(gè)存儲(chǔ)單元的燒寫，當(dāng)然也可采用延時(shí)等待的方法進(jìn)行連續(xù)的燒寫。 在讀取Flash的時(shí)候不一定讀取一個(gè)block，可以按照實(shí)際需要的地址讀??；但是在寫的時(shí)候一次需要擦除一個(gè)扇區(qū)，然后再寫入。讀取子程序設(shè)定了一次讀取一個(gè)扇區(qū)，目的是為了按需要更改后再寫入。 5實(shí)例總結(jié)      ARM與Flash存儲(chǔ)器的接口電路設(shè)計(jì)與調(diào)試，以及對(duì)Flash存儲(chǔ)器的編程與擦除是ARM系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要部分，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器通常裝載著嵌入式系統(tǒng)的Boot-loader程序和操作系統(tǒng)的核心代碼，因此Flash的穩(wěn)定與否直接決定整個(gè)系統(tǒng)能否運(yùn)作。 本章講述了兩種Flash芯片——Nor-Flash和Nand-Flash的特點(diǎn)、軟硬件設(shè)計(jì)，在對(duì)Flash的編程中，需要注意以下三個(gè)方面。    在Flash編程之前應(yīng)先擦除Flash，對(duì)Flash進(jìn)行擦除過程將持續(xù)一段時(shí)間(視不同的Flash芯片而定，具體的可以查找Flash芯片典型擦除時(shí)間，一般為20s左右)，擦除后Flash的數(shù)據(jù)為全FF。    對(duì)Flash編程的過程，將持續(xù)很長時(shí)間，通常編程50KB的文件需要15分鐘左右(視不同的Flash芯片、上位機(jī)和操作系統(tǒng)而定)。    擦除Flash操作不可恢復(fù)，對(duì)Flash編程需使用“初始化配置”，如關(guān)閉看門狗、關(guān)閉系統(tǒng)對(duì)Flash空間的緩沖、設(shè)置對(duì)Flash空間的操作時(shí)序等。

NAND和NOR flash詳解

NOR和NAND是現(xiàn)在市場上兩種主要的非易失閃存技術(shù)。Intel于1988年首先開發(fā)出NOR flash技術(shù)，徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統(tǒng)天下的局面。緊接著，1989年，東芝公司發(fā)表了NAND flash結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盤一樣可以通過接口輕松升級(jí)。但是經(jīng)過了十多年之后，仍然有相當(dāng)多的硬件工程師分不清NOR和NAND閃存。
　　相“flash存儲(chǔ)器”經(jīng)?？梢耘c相“NOR存儲(chǔ)器”互換使用。許多業(yè)內(nèi)人士也搞不清楚NAND閃存技術(shù)相對(duì)于NOR技術(shù)的優(yōu)越之處，因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下閃存只是用來存儲(chǔ)少量的代碼，這時(shí)NOR閃存更適合一些。而NAND則是高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度的理想解決方案。  
　　NOR的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行(XIP, eXecute In Place)，這樣應(yīng)用程序可以直接在flash 閃存內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。NOR的傳輸效率很高，在1～4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。
　　NAND結(jié)構(gòu)能提供極高的單元密度，可以達(dá)到高存儲(chǔ)密度，并且寫入和擦除的速度也很快。應(yīng)用NAND的困難在于flash的管理和需要特殊的系統(tǒng)接口。

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。

NAND閃存深入解析

From : globalsources

　　對(duì)于許多消費(fèi)類音視頻產(chǎn)品而言，NAND閃存是一種比硬盤驅(qū)動(dòng)器更好的存儲(chǔ)方案，這在不超過4GB的低容量應(yīng)用中表現(xiàn)得猶為明顯。隨著人們持續(xù)追求功耗更低、重量更輕和性能更佳的產(chǎn)品，NAND正被證明極具吸引力。

　　NAND閃存陣列分為一系列128kB的區(qū)塊(block)，這些區(qū)塊是NAND器件中最小的可擦除實(shí)體。擦除一個(gè)區(qū)塊就是把所有的位(bit)設(shè)置為“1”(而所有字節(jié)(byte)設(shè)置為FFh)。有必要通過編程，將已擦除的位從“1”變?yōu)?#8220;0”。最小的編程實(shí)體是字節(jié)(byte)。一些NOR閃存能同時(shí)執(zhí)行讀寫操作(見下圖1)。雖然NAND不能同時(shí)執(zhí)行讀寫操作，它可以采用稱為“映射(shadowing)”的方法，在系統(tǒng)級(jí)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這種方法在個(gè)人電腦上已經(jīng)沿用多年，即將BIOS從速率較低的ROM加載到速率較高的RAM上。

　　NAND的效率較高，是因?yàn)镹AND串中沒有金屬觸點(diǎn)。NAND閃存單元的大小比NOR要小(4F2：10F2)的原因，是NOR的每一個(gè)單元都需要獨(dú)立的金屬觸點(diǎn)。NAND與硬盤驅(qū)動(dòng)器類似，基于扇區(qū)(頁)，適合于存儲(chǔ)連續(xù)的數(shù)據(jù)，如圖片、音頻或個(gè)人電腦數(shù)據(jù)。雖然通過把數(shù)據(jù)映射到RAM上，能在系統(tǒng)級(jí)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)存取，但是，這樣做需要額外的RAM存儲(chǔ)空間。此外，跟硬盤一樣，NAND器件存在壞的扇區(qū)，需要糾錯(cuò)碼(ECC)來維持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性。

　　存儲(chǔ)單元面積越小，裸片的面積也就越小。在這種情況下，NAND就能夠?yàn)楫?dāng)今的低成本消費(fèi)市場提供存儲(chǔ)容量更大的閃存產(chǎn)品。NAND閃存用于幾乎所有可擦除的存儲(chǔ)卡。NAND的復(fù)用接口為所有最新的器件和密度都提供了一種相似的引腳輸出。這種引腳輸出使得設(shè)計(jì)工程師無須改變電路板的硬件設(shè)計(jì)，就能從更小的密度移植到更大密度的設(shè)計(jì)上。

NAND與NOR閃存比較

　　NAND閃存的優(yōu)點(diǎn)在于寫(編程)和擦除操作的速率快，而NOR的優(yōu)點(diǎn)是具有隨機(jī)存取和對(duì)字節(jié)執(zhí)行寫(編程)操作的能力(見下圖圖2)。NOR的隨機(jī)存取能力支持直接代碼執(zhí)行(XiP)，而這是嵌入式應(yīng)用經(jīng)常需要的一個(gè)功能。NAND的缺點(diǎn)是隨機(jī)存取的速率慢，NOR的缺點(diǎn)是受到讀和擦除速度慢的性能制約。NAND較適合于存儲(chǔ)文件。如今，越來越多的處理器具備直接NAND接口，并能直接從NAND(沒有NOR)導(dǎo)入數(shù)據(jù)。

　　NAND的真正好處是編程速度快、擦除時(shí)間短。NAND支持速率超過5Mbps的持續(xù)寫操作，其區(qū)塊擦除時(shí)間短至2ms，而NOR是750ms。顯然，NAND在某些方面具有絕對(duì)優(yōu)勢。然而，它不太適合于直接隨機(jī)存取。

　　對(duì)于16位的器件，NOR閃存大約需要41個(gè)I/O引腳；相對(duì)而言，NAND器件僅需24個(gè)引腳。NAND器件能夠復(fù)用指令、地址和數(shù)據(jù)總線，從而節(jié)省了引腳數(shù)量。復(fù)用接口的一項(xiàng)好處，就在于能夠利用同樣的硬件設(shè)計(jì)和電路板，支持較大的NAND器件。由于普通的TSOP-1封裝已經(jīng)沿用多年，該功能讓客戶能夠把較高密度的NAND器件移植到相同的電路板上。NAND器件的另外一個(gè)好處顯然是其封裝選項(xiàng)：NAND提供一種厚膜的2Gb裸片或能夠支持最多四顆堆疊裸片，容許在相同的TSOP-1封裝中堆疊一個(gè)8Gb的器件。這就使得一種封裝和接口能夠在將來支持較高的密度。

圖1 不同閃存單元的對(duì)比

圖2 NOR閃存的隨機(jī)存取時(shí)間為0.12ms，而NAND閃存的第一字節(jié)隨機(jī)存取速度要慢得多

NAND基本操作

以2Gb NAND器件為例，它由2048個(gè)區(qū)塊組成，每個(gè)區(qū)塊有64個(gè)頁(見圖3)。

圖3 2GB NAND閃存包含2,048個(gè)區(qū)塊
　　每一個(gè)頁均包含一個(gè)2048字節(jié)的數(shù)據(jù)區(qū)和64字節(jié)的空閑區(qū)，總共包含2,112字節(jié)?？臻e區(qū)通常被用于ECC、耗損均衡(wear leveling)和其它軟件開銷功能，盡管它在物理上與其它頁并沒有區(qū)別。NAND器件具有8或16位接口。通過8或16位寬的雙向數(shù)據(jù)總線，主數(shù)據(jù)被連接到NAND存儲(chǔ)器。在16位模式，指令和地址僅僅利用低8位，而高8位僅僅在數(shù)據(jù)傳輸周期使用。

　　擦除區(qū)塊所需時(shí)間約為2ms。一旦數(shù)據(jù)被載入寄存器，對(duì)一個(gè)頁的編程大約要300μs。讀一個(gè)頁面需要大約25μs，其中涉及到存儲(chǔ)陣列訪問頁，并將頁載入16,896位寄存器中。

除了I/O總線，NAND接口由6個(gè)主要控制信號(hào)構(gòu)成：

1.芯片啟動(dòng)(Chip Enable, CE#)：如果沒有檢測到CE信號(hào)，那么，NAND器件就保持待機(jī)模式，不對(duì)任何控制信號(hào)作出響應(yīng)。

2.寫使能(Write Enable, WE#): WE#負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)、地址或指令寫入NAND之中。

3.讀使能(Read Enable, RE#): RE#允許輸出數(shù)據(jù)緩沖器。

4.指令鎖存使能(Command Latch Enable, CLE): 當(dāng)CLE為高時(shí)，在WE#信號(hào)的上升沿，指令被鎖存到NAND指令寄存器中。

5.地址鎖存使能(Address Latch Enable, ALE)：當(dāng)ALE為高時(shí)，在WE#信號(hào)的上升沿，地址被鎖存到NAND地址寄存器中。

6.就緒/忙(Ready/Busy, R/B#)：如果NAND器件忙，R/B#信號(hào)將變低。該信號(hào)是漏極開路，需要采用上拉電阻。

　　數(shù)據(jù)每次進(jìn)/出NAND寄存器都是通過16位或8位接口。當(dāng)進(jìn)行編程操作的時(shí)候，待編程的數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)寄存器，處于在WE#信號(hào)的上升沿。在寄存器內(nèi)隨機(jī)存取或移動(dòng)數(shù)據(jù)，要采用專用指令以便于隨機(jī)存取。

　　數(shù)據(jù)寄存器輸出數(shù)據(jù)的方式與利用RE#信號(hào)的方式類似，負(fù)責(zé)輸出現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，并增加到下一個(gè)地址。WE#和RE#時(shí)鐘運(yùn)行速度極快，達(dá)到30ns的水準(zhǔn)。當(dāng)RE#或CE#不為低的時(shí)候，輸出緩沖器將為三態(tài)。這種CE#和RE#的組合使能輸出緩沖器，容許NAND閃存與NOR、SRAM或DRAM等其它類型存儲(chǔ)器共享數(shù)據(jù)總線。該功能有時(shí)被稱為“無需介意芯片啟動(dòng)(chip enable don‘t care)”。這種方案的初衷是適應(yīng)較老的NAND器件，它們要求CE#在整個(gè)周期為低(譯注：根據(jù)上下文改寫)。

圖4 輸入寄存器接收到頁編程(80h)指令時(shí)，內(nèi)部就會(huì)全部重置為1s，使得用戶可以只輸入他想以0位編程的數(shù)據(jù)字節(jié)

圖5 帶有隨機(jī)數(shù)據(jù)輸入的編程指令。圖中加亮的扇區(qū)顯示，該指令只需要后面跟隨著數(shù)據(jù)的2個(gè)字節(jié)的地址
所有NAND操作開始時(shí)，都提供一個(gè)指令周期(表1)。

　　當(dāng)輸出一串WE#時(shí)鐘時(shí)，通過在I/O位7：0上設(shè)置指令、驅(qū)動(dòng)CE#變低且CLE變高，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)指令周期。注意：在WE#信號(hào)的上升沿上，指令、地址或數(shù)據(jù)被鎖存到NAND器件之中。如表1所示，大多數(shù)指令在第二個(gè)指令周期之后要占用若干地址周期。注意：復(fù)位或讀狀態(tài)指令例外，如果器件忙，就不應(yīng)該發(fā)送新的指令。

以2Gb NAND器件的尋址方案為例，第一和第二地址周期指定列地址，該列地址指定頁內(nèi)的起始字節(jié)(表2)。

　　注意：因?yàn)樽詈笠涣械奈恢檬?112，該最后位置的地址就是08h(在第二字節(jié)中)和3Fh(在第一字節(jié)中)。PA5:0指定區(qū)塊內(nèi)的頁地址，BA16:6指定區(qū)塊的地址。雖然大多編程和讀操作需要完整的5字節(jié)地址，在頁內(nèi)隨機(jī)存取數(shù)據(jù)的操作僅僅用到第一和第二字節(jié)。塊擦除操作僅僅需要三個(gè)最高字節(jié)(第三、第四和第五字節(jié))來選擇區(qū)塊。

圖6 典型的存儲(chǔ)方法

圖7 頁讀緩存模式
　　

　　總體而言，NAND的基本操作包括：復(fù)位(Reset, FFh)操作、讀ID(Read ID, 00h)操作、讀狀態(tài)(Read Status, 70h)操作、編程(Program)操作、隨機(jī)數(shù)據(jù)輸入(Random data input, 85h)操作和讀(Read)操作等。

　　將NAND連接到處理器

　　選擇內(nèi)置NAND接口的處理器或控制器的好處很多。如果沒有這個(gè)選擇，有可能在NAND和幾乎任何處理器之間設(shè)計(jì)一個(gè)“無粘接邏輯(glueless)”接　口。NAND和NOR閃存的主要區(qū)別是復(fù)用地址和數(shù)據(jù)總線。該總線被用于指定指令、地址或數(shù)據(jù)。CLE信號(hào)指定指令周期，而ALE信號(hào)指定地址周期。利用這兩個(gè)控制信號(hào)，有可能選擇指令、地址或數(shù)據(jù)周期。把ALE連接到處理器的第五地址位，而把CLE連接到處理器的第四地址位，就能簡單地通過改變處理器輸出的地址，任意選擇指令、地址或數(shù)據(jù)。這容許CLE和ALE在合適的時(shí)間自動(dòng)設(shè)置為低。

　　為了提供指令，處理器在數(shù)據(jù)總線上輸出想要的指令，并輸出地址0010h；為了輸出任意數(shù)量的地址周期，處理器僅僅要依次在處理器地址0020h之后輸出想要的NAND地址。注意，許多處理器能在處理器的寫信號(hào)周圍指定若干時(shí)序參數(shù)，這對(duì)于建立合適的時(shí)序是至關(guān)重要的。利用該技術(shù)，你不必采用任何粘接邏輯，就可以直接從處理器存取指令、地址和數(shù)據(jù)。

多層單元  

　　編程或擦除操作之后，重要的是讀狀態(tài)寄存器，因?yàn)樗_認(rèn)是否成功地完成了編程或擦除操作。如果操作失敗，要把該區(qū)塊標(biāo)記為損壞且不能再使用。以前已編寫進(jìn)去的數(shù)據(jù)要從損壞的區(qū)塊中搬出，轉(zhuǎn)移到新的(好的)存儲(chǔ)塊之中。2Gb NAND的規(guī)范規(guī)定，它可以最多有40個(gè)壞的區(qū)塊，這個(gè)數(shù)字在器件的生命周期(額定壽命為10萬次編程/擦除周期)內(nèi)都適用。一些有壞塊的NAND器件能夠出廠，主要就歸根于其裸片面積大。管理器件的軟件負(fù)責(zé)映射壞塊并由好的存儲(chǔ)塊取而代之。  

　　利用工廠對(duì)這些區(qū)塊的標(biāo)記，軟件通過掃描塊可以確定區(qū)塊的好壞。壞塊標(biāo)記被固定在空閑區(qū)的第一個(gè)位置(列地址2048)。如果在0或1頁的列地址2048上的數(shù)據(jù)是“non-FF”，那么，該塊要標(biāo)記為壞，并映射出系統(tǒng)。初始化軟件僅僅需要掃描所有區(qū)塊確定以確定哪個(gè)為壞，然后建一個(gè)壞塊表供將來參考。

小心不要擦除壞塊標(biāo)記，這一點(diǎn)很重要。工廠在寬溫和寬電壓范圍內(nèi)測試了NAND；一些由工廠標(biāo)記為壞的區(qū)塊可能在一定的溫度或電壓條件下仍然能工作，但是，將來可能會(huì)失效。如果壞塊信息被擦除，就無法再恢復(fù)數(shù)據(jù)。