Nand Flash详述

NandFlash详述2012-03-1712:49:59|分类：ARM外设|标签：|举报|字号大中小订阅转自：想念东北的下雪的冬天1.硬件特性：【Flash的硬件实现机制】Flash全名叫做FlashMemory，属于非易失性存储设备(Non-volatileMemoryDevice)，与此相对应的是易失性存储设备(VolatileMemoryDevice)。这类设备，除了Flash，还有其他比较常见的如硬盘，ROM等，与此相对的，易失性就是断电了，数据就丢失了，比如大家常用的内存，不论是以前的SDRAM，DDRSDRAM，还是现在的DDR2，DDR3等，都是断电后，数据就没了。Flash的内部存储是MOSFET，里面有个悬浮门(FloatingGate)，是真正存储数据的单元。-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor,MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管（field-effecttransistor）。MOSFET依照其“通道”的极性不同，可分为n-type与p-type的MOSFET，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称尚包括NMOSFET、PMOSFET、nMOSFET、pMOSFET等。-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------在Flash之前，紫外线可擦除(uv-erasable)的EPROM，就已经采用用FloatingGate存储数据这一技术了。图1.典型的Flash内存单元的物理结构数据在Flash内存单元中是的。存储电荷的多少，取决于图中的外部门（externalgate）所被施加的电压，其控制了是向存储单元中冲入电荷还是使其释放电荷。数据的表示，以所存储的电荷的电压是否超过一个特定的阈值Vth来表示。【SLC和MLC的实现机制】NandFlash按照内部存储数据单元的电压的不同层次，也就是单个内存单元中，是存储1位数据，还是多位数据，可以分为SLC和MLC：1.SLC，SingleLevelCell:单个存储单元，只存储一位数据，表示成1或0.就是上面介绍的，对于数据的表示，单个存储单元中内部所存储电荷的电压，和某个特定的阈值电压Vth，相比，如果大于此Vth值，就是表示1，反之，小于Vth，就表示0.对于nandFlash的数据的写入1，就是控制ExternalGate去充电，使得存储的电荷够多，超过阈值Vth，就表示1了。而对于写入0，就是将其放电，电荷减少到小于Vth，就表示0了。关于为何NandFlash不能从0变成1，我的理解是，物理上来说，是可以实现每一位的，从0变成1的，但是实际上，对于实际的物理实现，出于效率的考虑，如果对于，每一个存储单元都能单独控制，即，0变成1就是，对每一个存储单元单独去充电，所需要的硬件实现就很复杂和昂贵，同时，所进行对块擦除的操作，也就无法实现之前的，一闪而过的速度了，也就失去了Flash的众多特性了。//也就是放电的思路还是容易些。1-02.MLC，MultiLevelCell：与SLC相对应，就是单个存储单元，可以存储多个位，比如2位，4位等。其实现机制，说起来比较简单，就是，通过控制内部电荷的多少，分成多个阈值，通过控制里面的电荷多少，而达到我们所需要的存储成不同的数据。比如，假设输入电压是Vin＝4V（实际没有这样的电压，此处只是为了举例方便），那么，可以设计出2的2次方＝4个阈值，1/4的Vin＝1V，2/4的Vin＝2V，3/4的Vin＝3V，Vin＝4V，分别表示2位数据00，01，10，11，对于写入数据，就是充电，通过控制内部的电荷的多少，对应表示不同的数据。对于读取，则是通过对应的内部的电流（与Vth成反比），然后通过一系列解码电路完成读取，解析出所存储的数据。这些具体的物理实现，都是有足够精确的设备和技术，才能实现精确的数据写入和读出的。单个存储单元可以存储2位数据的，称作2的2次方＝4LevelCell，而不是2LevelCell；同理，对于新出的单个存储单元可以存储4位数据的，称作2的4次方＝16LevelCell。【关于如何识别SLC还是MLC】NandFlash设计中，有个命令叫做ReadID，读取ID，意思是读取芯片的ID，就像大家的身份证一样，这里读取的ID中，是：读取好几个字节，一般最少是4个，新的芯片，支持5个甚至更多，从这些字节中，可以解析出很多相关的信息，比如：此NandFlash内部是几个芯片（chip）所组成的，每个chip包含了几片（Plane），每一片中的页大小，块大小，等等。在这些信息中，其中有一个，就是识别此flash是SLC还是MLC。下面这个就是最常见的NandFlash的datasheet中所规定的，第3个字节，3rdbyte，所表示的信息，其中就有SLC/MLC的识别信息：DescriptionI/O7I/O6I/O5I/O4I/O3I/O2I/O1I/O0InternalChipNumber124800011011CellType2LevelCell4LevelCell8LevelCell16LevelCell00011011NumberofSimultaneouslyProgrammedPages124800011011InterleaveProgramNotSupport0BetweenmultiplechipsSupport1CacheProgramNotSupportSupport01表1.NandFlash第3个ID的含义【NandFlash的物理存储单元的阵列组织结构】Nandflash的内部组织结构，此处还是用图来解释，比较容易理解：图2.NandFlash物理存储单元的阵列组织结构上图是K9K8G08U0A的datasheet中的描述。简单解释就是:1.一个nandflash由很多个块（Block）组成，块的大小一般是-128KB，-256KB，-512KB此处是128KB。2.每个块里面又包含了很多页（page）。每个页的大小，老的nandflash，页大小是256B，512B，这类的nandflash被称作smallblock，。地址周期只有4个。对于现在常见的nandflash多数是2KB，被称作bigblock，对应的发读写命令地址，一共5个周期(cycle)，更新的nandflash是4KB，块，也是NandFlash的擦除操作的基本/最小单位。3.每一个页，对应还有一块区域，叫做空闲区域（sparearea）/冗余区域（redundantarea），而Linux系统中，一般叫做OOB（OutOfBand），这个区域，是最初基于NandFlash的硬件特性：数据在读写时候相对容易错误，所以为了保证数据的正确性，必须要有对应的检测和纠错机制，此机制被叫做EDC(ErrorDetectionCode)/ECC（ErrorCodeCorrection,或者ErrorCheckingandCorrecting），所以设计了多余的区域，用于放置数据的校验值。页,是NandFlash的写入操作的基本/最小的单位。【NandFlash数据存储单元的整体架构】简单说就是，常见的nandflash，内部只有一个chip，每个chip只有一个plane。而有些复杂的，容量更大的nandflash，内部有多个chip，每个chip有多个plane。这类的nandflash，往往也有更加高级的功能，比如下面要介绍的MultiPlaneProgram和InterleavePageProgram等。比如，型号为K9K8G08U0A这个芯片（chip），内部有:K9F4G08U0A(256MB):Plane(1Gb),Plane(1Gb)K9F4G08U0A(256MB):Plane(1Gb),Plane(1Gb)K9WAG08U1A，内部包含了2个K9K8G08U0AK9NBG08U5A，内部包含了4个K9K8G08U0A【Flash名称的由来】Flash的擦除操作是以block块为单位的，与此相对应的是其他很多存储设备，是以bit位为最小读取/写入的单位，Flash是一次性地擦除整个块：在发送一个擦除命令后，一次性地将一个block，常见的块的大小是128KB/256KB。。，全部擦除为1，也就是里面的内容全部都是0xFF了，由于是一下子就擦除了，相对来说，擦除用的时间很短，可以用一闪而过来形容，所以，叫做FlashMemory。中文有的翻译为（快速）闪存。【Flash相对于普通设备的特殊性】1.上面提到过的，Flash最小操作单位，有些特殊。一般设备，比如硬盘/内存，读取和写入都是以bit位为单位，读取一个bit的值，将某个值写入对应的地址的位，都是可以按位操作的。但是Flash由于物理特性，使得内部存储的数据，只能从1变成0，这点，可以从前面的内部实现机制了解到，只是方便统一充电，不方便单独的存储单元去放电，所以才说，只能从1变成0，也就是释放电荷。所以，总结一下Flash的特殊性如下：普通设备(硬盘/内存等)Flash读取/写入的叫法读取/写入读取/编程(Program)①读取/写入的最小单位Bit/位Page/页擦除(Erase)操作的最小单位Bit/位Block/块②擦除操作的含义将数据删除/全部写入0将整个块都擦除成全是1，也就是里面的数据都是0xFF③对于写操作直接写即可在写数据之前，要先擦除，然后再写表2.Flash和普通设备相比所具有的特殊性注：①之所以将写操作叫做编程，是因为，flash和之前的EPROM，EEPROM继承发展而来，而之前的EEPROM(ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory)，往里面写入数据，就叫做编程Program，之所以这么称呼，是因为其对数据的写入，是需要用电去擦除/写入的，就叫做编程。②对于目前常见的页大小是2K/4K的NandFlash，其块的大小有128KB/256KB/512KB等。而对于NorFlash，常见的块大小有64K/32K等。③在写数据之前，要先擦除，内部就都变成0xFF了，然后才能写入数据，也就是将对应位由1变成0。【NandFlash引脚(Pin)的说明】图3.NandFlash引脚功能说明上图是常见的NandFlash所拥有的引脚（Pin）所对应的功能，简单翻译如下：1.I/O0~I/O7：用于输入地址/数据/命令，输出数据2.CLE：CommandLatchEnable，命令锁存使能，在输入命令之前，要先在模式寄存器中，设置CLE使能3.ALE：AddressLatchEnable，地址锁存使能，在输入地址之前，要先在模式寄存器中，设置ALE使能4.CE#：ChipEnable，芯片使能，在操作NandFlash之前，要先选中此芯片，才能操作5.RE#：ReadEnable，读使能，在读取数据之前，要先使CE＃有效。6.WE#：WriteEnable，写使能,在写取数据之前，要先使WE＃有效。7.WP#：WriteProtect，写保护8.R/B#:Ready/BusyOutput,就绪/忙,主要用于在发送完编程/擦除命令后,检测这些操作是否完成,忙,表示编程/擦除操