nand flash讀寫 （一）

NAND FLASH 在對大容量的數據存儲需要中日益發展，到現今，所有的數碼相機、多數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 程序和數據可存放在同一片芯片上，擁有獨立的數據總線和地址總線，能快速隨機地讀取，允許系統直接從Flash中讀取代碼執行，而無需先將代碼下載至ＲＡＭ中再執行

u 可以單字節或單字編程，但不能單字節擦除，必須以塊為單位或對整片執行擦除操作，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 數據、地址采用同一總線，實現串行讀取。隨機讀取速度慢且不能按字節隨機編程

u 芯片尺寸小，引腳少，是位成本（bit cost）最低的固態存儲器

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，其數目大概占1%，當某個存儲塊發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、固態盤的存儲介質，并正成為Flash磁盤技術的核心。

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進行，所以大多數情況下，在進行寫入操作之前必須先執行擦除。NAND器件執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，執行相同的操作最多只需要4ms。

執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部的每一個字節。

NAND器件使用復雜的I/O口來串行地存取數據，共用8位總線（各個產品或廠商的方法可能各不相同）。8個引腳用來傳送控制、地址和數據信息。NAND讀和寫操作采用512字節的頁和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，由于生產過程更為簡單，NAND結構可以在給定的模具尺寸內提供更高的容量，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的產品當中，這也說明NOR主要應用在代碼存儲介質中，NAND適合于數據存儲，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的系統來說，Flash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是一百萬次，而NOR的擦寫次數是十萬次。NAND存儲器除了具有10比1的塊擦除周期優勢，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的刪除次數要少一些。

5) 位交換（錯誤率）

所有flash器件都受位交換現象的困擾。在某些情況下(很少見，NAND發生的次數要比NOR多)，一個比特位會發生反轉或被報告反轉了。一位的變化可能不很明顯，但是如果發生在一個關鍵文件上，這個小小的故障可能導致系統停機。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、配置文件或其他敏感信息時，必須使用EDC/ECC系統以確保可靠性。

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，但發現成品率太低，代價太高，根本不劃算。NAND器件需要對介質進行初始化掃描以發現壞塊，并將壞塊標記為不可用。現在的FLSAH一般都提供冗余塊來代替壞塊如發現某個塊的數據發生錯誤（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，必須先寫入驅動程序，才能繼續執行其他操作。向NAND器件寫入信息需要相當的技巧，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，通常需要驅動程序，也就是內存技術驅動程序(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驅動，該驅動被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等廠商所采用。驅動還用于對DiskOnChip產品進行仿真和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 存儲數據和程序，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，曾經是FLASH的主流產品，但現在被NANDFLASH擠的比較難受。它的優點是可以直接從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，只能存儲數據。另外NAND FLASH非常容易出現壞區，所以需要有校驗的算法。

3．NAND Flash的硬件設計

NAND FLASH是采用與非門結構技術的非易失存儲器，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，其數據線寬度只有8bit，沒有地址總線，I/O接口可用于控制命令和地址的輸入，也可用于數據的輸入和輸出，多了CLE和ALE來區分總線上的數據類別。

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) 地址結構

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構而不同，塊結構有兩種：小塊（圖7）和大塊（圖8），小塊NAND FLASH包含32個頁，每頁512+16字節；大塊NAND FLASH包含64頁，每頁2048+64字節。

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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）用于存放數據，16B（64B）用于存放其他信息（包括：塊好壞的標記、塊的邏輯地址、頁內數據的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。系統在每次讀一頁后會計算其校驗和，并和存儲在頁內的冗余的16B內的校驗和做比較，以此來判斷讀出的數據是否正確。

大塊和小塊NAND FLASH都有與頁大小相同的頁寄存器，用于數據緩存。當讀數據時，先從NAND FLASH內存單元把數據讀到頁寄存器，外部通過訪問NAND FLASH I/O端口獲得頁寄存器中數據（地址自動累加）；當寫數據時，外部通過NAND FLASH I/O端口輸入的數據首先緩存在頁寄存器，寫命令發出后才寫入到內存單元中。

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 的軟件編寫和調試

NAND設備的軟件調試一般分為以下幾個步驟：設置相關寄存器、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