nand flash讀寫 （一）

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

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(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(quán)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(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。可以從壽命(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(zhuǎn)或被報告反轉(zhuǎn)了。一位的變化可能不很明顯，但是如果發(fā)生在一個關(guān)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(zhuǎn)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(shù)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(jié)構(gòu)技術(shù)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。

信號

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（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(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個頁，每頁512+16字節(jié)；大塊NAND FLASH包含64頁，每頁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。

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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設備的軟件調(diào)試一般分為以下幾個步驟：設置相關(guān)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。

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表2 K9F1208U0M Comm