NAND閃存深入解析

　　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)椤?”。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?。?F2：10F2）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6？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6？字節(jié)的空閑區(qū)，總共包含2，112字節(jié)。空閑區(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16，8？6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