NAND和NOR flash詳解

 

         NOR和NAND是現(xiàn)在市場上兩種主要的非易失閃存技術(shù)。Intel于1988年首先開發(fā)出NOR flash技術(shù)，徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統(tǒng)天下的局面。緊接著，1989年，東芝公司發(fā)表了NAND flash結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盤一樣可以通過接口輕松升級。但是經(jīng)過了十多年之后，仍然有相當(dāng)多的硬件工程師分不清NOR和NAND閃存。

　　相“flash存儲器”經(jīng)常可以與相“NOR存儲器”互換使用。許多業(yè)內(nèi)人士也搞不清
楚NAND閃存技術(shù)相對于NOR技術(shù)的優(yōu)越之處，因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下閃存只是用來存儲少量的代碼，這時(shí)NOR閃存更適合一些。而NAND則是高數(shù)據(jù)存儲密度的理想解決方案。
 
　　NOR的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行(XIP, eXecute In Place)，這樣應(yīng)用程序可以直接在flash
閃存內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。NOR的傳輸效率很高，在1～4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。

　　NAND結(jié)構(gòu)能提供極高的單元密度，可以達(dá)到高存儲密度，并且寫入和擦除的速度也
很快。應(yīng)用NAND的困難在于flash的管理和需要特殊的系統(tǒng)接口。

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(jìn)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(jìn)行，所以大多數(shù)情況下，在進(jìn)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(jìn)行擦除前先要將目標(biāo)塊內(nèi)所有的位都寫為0。

　　由于擦除NOR器件時(shí)是以64～128KB的塊進(jìn)行的，執(zhí)行一個(gè)寫入/擦除操作的時(shí)間為5s
，與此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的塊進(jìn)行的，執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms。
　　
         執(zhí)行擦除時(shí)塊尺寸的不同進(jìn)一步拉大了NOR和NADN之間的性能差距，統(tǒng)計(jì)表明，對于給定的一套寫入操作(尤其是更新小文件時(shí))，更多的擦除操作必須在基于NOR的單元中進(jìn)行。這樣，當(dāng)選擇存儲解決方案時(shí)，設(shè)計(jì)師必須權(quán)衡以下的各項(xiàng)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(yuǎn)比NOR的5s快。
　　● 大多數(shù)寫入操作需要先進(jìn)行擦除操作。
　　● NAND的擦除單元更小，相應(yīng)的擦除電路更少。

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(gè)字節(jié)。

　　NAND器件使用復(fù)雜的I/O口來串行地存取數(shù)據(jù)，各個(gè)產(chǎn)品或廠商的方法可能各不相同
。8個(gè)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)的塊，這一點(diǎn)有點(diǎn)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(shè)備。

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(yīng)地降低了價(jià)格。

　　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8～128M
B的產(chǎn)品當(dāng)中，這也說明NOR主要應(yīng)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。

可靠性和耐用性

　　采用flahs介質(zhì)時(shí)一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的問題是可靠性。對于需要擴(kuò)展MTBF的系統(tǒng)來說
，F(xiàn)lash是非常合適的存儲方案?？梢詮膲勖?耐用性)、位交換和壞塊處理三個(gè)方面來比較NOR和NAND的可靠性。

　　壽命(耐用性)
        在NAND閃存中每個(gè)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(gè)NAND存儲器塊在給定的時(shí)間內(nèi)的刪除次數(shù)要少一些。

　　位交換
　　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(gè)比特位會發(fā)生反轉(zhuǎn)或被報(bào)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(gè)關(guān)鍵文件上，這個(gè)小小的故障可能
導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。如果只是報(bào)告有問題，多讀幾次就可能解決了。

　　當(dāng)然，如果這個(gè)位真的改變了，就必須采用錯(cuò)誤探測/錯(cuò)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(yīng)商建議使用NAND閃存的時(shí)候，同時(shí)使用EDC/ECC算法。

　　這個(gè)問題對于用NAND存儲多媒體信息時(shí)倒不是致命的。當(dāng)然，如果用本地存儲設(shè)備
來存儲操作系統(tǒng)、配置文件或其他敏感信息時(shí)，必須使用EDC/ECC系統(tǒng)以確保可靠性。

　　壞塊處理
　　NAND器件中的壞塊是隨機(jī)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(jià)太高，根本不劃算。

　　NAND器件需要對介質(zhì)進(jìn)行初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊，并將壞塊標(biāo)記為不可用。在已制
成的器件中，如果通過可靠的方法不能進(jìn)行這項(xiàng)處理，將導(dǎo)致高故障率。

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(yùn)行代碼。

　　由于需要I/O接口，NAND要復(fù)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(shí)，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(dāng)?shù)募记桑驗(yàn)樵O(shè)計(jì)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(jìn)行虛擬映射。

軟件支持
　　當(dāng)討論軟件支持的時(shí)候，應(yīng)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(yùn)行代碼不需要任何的軟件支持，在NAND器件上進(jìn)行同樣操作時(shí)，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(jìn)行寫入和擦除操作時(shí)都需要MTD。

　　使用NOR器件時(shí)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(jìn)行仿真和NAND閃存的管理，包括糾錯(cuò)、壞塊處理和
損耗平衡。