浅谈闪存的作用机理及其应用前景

浅谈闪存的作用机理及其应用前景张祥（哈尔滨理工大学软件学院软件工程系）摘要：内存，内部存储器，主要是指RAM，CMOS也是内存一种。特点是速度快，缺点是需要电来维持，断电就会丢失所记录的信息。外存，外部存储器，只要指各种驱动器磁盘。软盘光盘硬盘U盘等。缺点是速度慢，但可以不需要电力来维持，因此可以方便携带。软盘是早期电脑信息传播的主要途径。为了改善上述两种存储方式的缺点并加以优化，产生闪存这一概念。闪存属于新式存储器，用来代替传统磁盘来携带传递信息，体积小容量大速度快，不需要电力来维持保存的信息。主要用于各种数码设备，数码相机MP3播放器U盘手机掌上游戏机（如PSP）等。关键词：闪存、存储器、闪存盘引言：闪存目前主板上的BIOS大多使用FlashMemory制造，翻译成中文就是闪动的存储器，通常把它称作快闪存储器，简称闪存。闪存盘是一种移动存储产品，可用于存储任何格式数据文件便于随身携带，是个人的“数据移动中心”。闪存盘采用闪存存储介质（FlashMemory）和通用串行总线（USB）接口，具有轻巧精致、使用方便、便于携带、容量较大、安全可靠、时尚潮流等特征，是大家理想的便携存储工具.我们常说的闪存其实只是一个笼统的称呼，准确地说它是非易失随机访问存储器(NVRAM)的俗称，特点是断电后数据不消失，因此可以作为外部存储器使用。而所谓的内存是挥发性存储器，分为DRAM和SRAM两大类，其中常说的内存主要指DRAM，也就是我们熟悉的DDR、DDR2、SDR、EDO等等。闪存也有不同类型，其中主要分为NOR型和NAND型两大类。1.闪存的分类NOR型与NAND型闪存的区别很大，打个比方说，NOR型闪存更像内存，有独立的地址线和数据线，但价格比较贵，容量比较小；而NAND型更像硬盘，地址线和数据线是共用的I/O线，类似硬盘的所有信息都通过一条硬盘线传送一般，而且NAND型与NOR型闪存相比，成本要低一些，而容量大得多。因此，NOR型闪存比较适合频繁随机读写的场合，通常用于存储程序代码并直接在闪存内运行，手机就是使用NOR型闪存的大户，所以手机的“内存”容量通常不大；NAND型闪存主要用来存储资料，我们常用的闪存产品，如闪存盘、数码存储卡都是用NAND型闪存。这里我们还需要端正一个概念，那就是闪存的速度其实很有限，它本身操作速度、频率就比内存低得多，而且NAND型闪存类似硬盘的操作方式效率也比内存的直接访问方式慢得多。因此，不要以为闪存盘的性能瓶颈是在接口，甚至想当然地认为闪存盘采用USB2.0接口之后会获得巨大的性能提升。前面提到NAND型闪存的操作方式效率低，这和它的架构设计和接口设计有关，它操作起来确实挺像硬盘(其实NAND型闪存在设计之初确实考虑了与硬盘的兼容性)，它的性能特点也很像硬盘：小数据块操作速度很慢，而大数据块速度就很快，这种差异远比其他存储介质大的多。这种性能特点非常值得我们留意。2.NAND型闪存的技术特点内存和NOR型闪存的基本存储单元是bit，用户可以随机访问任何一个bit的信息。而NAND型闪存的基本存储单元是页(Page)(可以看到，NAND型闪存的页就类似硬盘的扇区，硬盘的一个扇区也为512字节)。每一页的有效容量是512字节的倍数。所谓的有效容量是指用于数据存储的部分，实际上还要加上16字节的校验信息，因此我们可以在闪存厂商的技术资料当中看到“(512+16)Byte”的表示方式。目前2Gb以下容量的NAND型闪存绝大多数是(512+16)字节的页面容量，2Gb以上容量的NAND型闪存则将页容量扩大到(2048+64)字节。NAND型闪存以块为单位进行擦除操作。闪存的写入操作必须在空白区域进行，如果目标区域已经有数据，必须先擦除后写入，因此擦除操作是闪存的基本操作。一般每个块包含32个512字节的页，容量16KB；而大容量闪存采用2KB页时，则每个块包含64个页，容量128KB。每颗NAND型闪存的I/O接口一般是8条，每条数据线每次传输(512+16)bit信息，8条就是(512+16)×8bit，也就是前面说的512字节。但较大容量的NAND型闪存也越来越多地采用16条I/O线的设计，如三星编号K9K1G16U0A的芯片就是64M×16bit的NAND型闪存，容量1Gb，基本数据单位是(256+8)×16bit，还是512字节。寻址时，NAND型闪存通过8条I/O接口数据线传输地址信息包，每包传送8位地址信息。由于闪存芯片容量比较大，一组8位地址只够寻址256个页，显然是不够的，因此通常一次地址传送需要分若干组，占用若干个时钟周期。NAND的地址信息包括列地址(页面中的起始操作地址)、块地址和相应的页面地址，传送时分别分组，至少需要三次，占用三个周期。随着容量的增大，地址信息会更多，需要占用更多的时钟周期传输，因此NAND型闪存的一个重要特点就是容量越大，寻址时间越长。而且，由于传送地址周期比其他存储介质长，因此NAND型闪存比其他存储介质更不适合大量的小容量读写请求。3.决定NAND型闪存的因素有哪些？①页数量前面已经提到，越大容量闪存的页越多、页越大，寻址时间越长。但这个时间的延长不是线性关系，而是一个一个的台阶变化的。譬如128、256Mb的芯片需要3个周期传送地址信号，512Mb、1Gb的需要4个周期，而2、4Gb的需要5个周期。②页容量每一页的容量决定了一次可以传输的数据量，因此大容量的页有更好的性能。前面提到大容量闪存(4Gb)提高了页的容量，从512字节提高到2KB。页容量的提高不但易于提高容量，更可以提高传输性能。我们可以举例子说明。以三星K9K1G08U0M和K9K4G08U0M为例，前者为1Gb，512字节页容量，随机读(稳定)时间12μs，写时间为200μs；后者为4Gb，2KB页容量，随机读(稳定)时间25μs，写时间为300μs。假设它们工作在20MHz。读取性能：NAND型闪存的读取步骤分为：发送命令和寻址信息→将数据传向页面寄存器(随机读稳定时间)→数据传出(每周期8bit，需要传送512+16或2K+64次)。K9K1G08U0M读一个页需要：5个命令、寻址周期×50ns+12μs+(512+16)×50ns=38.7μs；K9K1G08U0M实际读传输率：512字节÷38.7μs=13.2MB/s；K9K4G08U0M读一个页需要：6个命令、寻址周期×50ns+25μs+(2K+64)×50ns=131.1μs；K9K4G08U0M实际读传输率：2KB字节÷131.1μs=15.6MB/s。因此，采用2KB页容量比512字节也容量约提高读性能20%。写入性能：NAND型闪存的写步骤分为：发送寻址信息→将数据传向页面寄存器→发送命令信息→数据从寄存器写入页面。其中命令周期也是一个，我们下面将其和寻址周期合并，但这两个部分并非连续的。K9K1G08U0M写一个页需要：5个命令、寻址周期×50ns+(512+16)×50ns+200μs=226.7μs。K9K1G08U0M实际写传输率：512字节÷226.7μs=2.2MB/s。K9K4G08U0M写一个页需要：6个命令、寻址周期×50ns+(2K+64)×50ns+300μs=405.9μs。K9K4G08U0M实际写传输率：2112字节/405.9μs=5MB/s。因此，采用2KB页容量比512字节页容量提高写性能两倍以上。③块容量块是擦除操作的基本单位，由于每个块的擦除时间几乎相同(擦除操作一般需要2ms，而之前若干周期的命令和地址信息占用的时间可以忽略不计)，块的容量将直接决定擦除性能。大容量NAND型闪存的页容量提高，而每个块的页数量也有所提高，一般4Gb芯片的块容量为2KB×64个页=128KB，1Gb芯片的为512字节×32个页=16KB。可以看出，在相同时间之内，前者的擦速度为后者8倍！④I/O位宽以往NAND型闪存的数据线一般为8条，不过从256Mb产品开始，就有16条数据线的产品出现了。但由于控制器等方面的原因，x16芯片实际应用的相对比较少，但将来数量上还是会呈上升趋势的。虽然x16的芯片在传送数据和地址信息时仍采用8位一组，占用的周期也不变，但传送数据时就以16位为一组，带宽增加一倍。K9K4G16U0M就是典型的64M×16芯片，它每页仍为2KB，但结构为(1K+32)×16bit。模仿上面的计算，我们得到如下。K9K4G16U0M读一个页需要：6个命令、寻址周期×50ns+25μs+(1K+32)×50ns=78.1μs。K9K4G16U0M实际读传输率：2KB字节÷78.1μs=26.2MB/s。K9K4G16U0M写一个页需要：6个命令、寻址周期×50ns+(1K+32)×50ns+300μs=353.1μs。K9K4G16U0M实际写传输率：2KB字节÷353.1μs=5.8MB/s可以看到，相同容量的芯片，将数据线增加到16条后，读性能提高近70%，写性能也提高16%。⑤频率工作频率的影响很容易理解。NAND型闪存的工作频率在20～33MHz，频率越高性能越好。前面以K9K4G08U0M为例时，我们假设频率为20MHz，如果我们将频率提高一倍，达到40MHz，则K9K4G08U0M读一个页需要：6个命令、寻址周期×25ns+25μs+(2K+64)×25ns=78μs。K9K4G08U0M实际读传输率：2KB字节÷78μs=26.3MB/s。可以看到，如果K9K4G08U0M的工作频率从20MHz提高到40MHz，读性能可以提高近70%！当然，上面的例子只是为了方便计算而已。在三星实际的产品线中，可工作在较高频率下的应是K9XXG08UXM，而不是K9XXG08U0M，前者的频率目前可达33MHz。⑥制造工艺制造工艺可以影响晶体管的密度，也对一些操作的时间有影响。譬如前面提到的写稳定和读稳定时间，它们在我们的计算当中占去了时间的重要部分，尤其是写入时。如果能够降低这些时间，就可以进一步提高性能。90nm的制造工艺能够改进性能吗？答案恐怕是否！目前的实际情况是，随着存储密度的提高，需要的读、写稳定时间是呈现上升趋势的。前面的计算所举的例子中就体现了这种趋势，否则4Gb芯片的性能提升更加明显。4.结论综合来看，大容量的NAND型闪存芯片虽然寻址、操作时间会略长，但随着页容量的提高，有效传输率还是会大一些，大容量的芯片符合市场对容量、成本和性能的需求趋势。而增加数据线和提高频率，则是提高性能的最有效途径，但由于命令、地址信息占用操作周期，以及一些固定操作时间(如信号稳定时间等)等工艺、物理因素的影响，它们不会带来同比的性能提升。