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二.NAND FLASH

NAND FLASH 在对大容量的数据存储需要中日益发展,到现今,所有的数码相机、多数MP3播放器、各种类型的U盘、很多PDA里面都有NAND FLASH的身影。

1.      Flash的简介

NOR Flash

u       程序和数据可存放在同一片芯片上,拥有独立的数据总线和地址总线,能快速随机地读取,允许系统直接从Flash中读取代码执行,而无需先将代码下载至RAM中再执行

u       可以单字节或单字编程,但不能单字节擦除,必须以块为单位或对整片执行擦除操作,在对存储器进行编程之前需要对块或整片进行预编程和擦除操作。

NAND FLASH

u       以页为单位进行读写操作,1页为256B512B;以块为单位进行擦除操作,1块为4KB8KB16KB。具有快编程和快擦除的功能

u       数据、地址采用同一总线,实现串行读取。随机读取速度慢且不能按字节随机编程

u       芯片尺寸小,引脚少,是位成本(bit cost)最低的固态存储器

u       芯片存储位错误率较高,推荐使用 ECC校验,并包含有冗余块,其数目大概占1%,当某个存储块发生错误后可以进行标注,并以冗余块代替

u       SamsungTOSHIBAFujistu三家公司支持采用NAND技术NAND Flash。目前,Samsung公司推出的最大存储容量可达8GbitNAND 主要作为SmartMedia卡、Compact Flash卡、PCMCIA ATA卡、固态盘的存储介质,并正成为Flash磁盘技术的核心。

2.      NAND FLASH NOR FLASH 的比较

1)       性能比较

    flash闪存是非易失存储器,可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行,所以大多数情况下,在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的,而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0

    由于擦除NOR器件时是以64128KB的块进行的,执行一个写入/擦除操作的时间为5s,与此相反,擦除NAND器件是以832KB的块进行的,执行相同的操作最多只需要4ms

    执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NORNADN之间的性能差距,统计表明,对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时),更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样,当选择存储解决方案时,设计师必须权衡以下的各项因素。

        ● NOR的读速度比NAND稍快一些。

        ● NAND的写入速度比NOR快很多。

        ● NAND4ms擦除速度远比NOR5s快。

        大多数写入操作需要先进行擦除操作。

        ● NAND的擦除单元更小,相应的擦除电路更少。

2)       接口差别

    NOR flash带有SRAM接口,有足够的地址引脚来寻址,可以很容易地存取其内部的每一个字节。

NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据,共用8位总线(各个产品或厂商的方法可能各不相同)。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。NAND读和写操作采用512字节的页和32KB的块为单位,这一点有点像硬盘管理此类操作,很自然地,基于NAND的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。

3)       容量和成本

NAND flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半,由于生产过程更为简单,NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量,也就相应地降低了价格,大概只有NOR的十分之一。

NOR flash占据了容量为116MB闪存市场的大部分,而NAND flash只是用在8128MB的产品当中,这也说明NOR主要应用在代码存储介质中,NAND适合于数据存储,NANDCompactFlashSecure DigitalPC CardsMMC存储卡市场上所占份额最大。

4)       可靠性和耐用性

采用flahs介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展MTBF的系统来说,Flash是非常合适的存储方案。可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理三个方面来比较NORNAND的可靠性。

NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次,而NOR的擦写次数是十万次。NAND存储器除了具有101的块擦除周期优势,典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍,每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些。

5)       位交换(错误率)

所有flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下(很少见,NAND发生的次数要比NOR),一个比特位会发生反转或被报告反转了。一位的变化可能不很明显,但是如果发生在一个关键文件上,这个小小的故障可能导致系统停机。如果只是报告有问题,多读几次就可能解决了。当然,如果这个位真的改变了,就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。位反转的问题更多见于NAND闪存,NAND的供应商建议使用NAND闪存的时候,同时使用EDC/ECC算法。

这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。当然,如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时,必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。

6)       坏块处理

NAND器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力,但发现成品率太低,代价太高,根本不划算。NAND器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块,并将坏块标记为不可用。现在的FLSAH一般都提供冗余块来代替坏块如发现某个块的数据发生错误(ECC校验),则将该块标注成坏块,并以冗余块代替。这导致了在NAND Flash 中,一般都需要对坏块进行编号管理,让每一个块都有自己的逻辑地址。

7)       易于使用

可以非常直接地使用基于NOR的闪存,可以像其他存储器那样连接,并可以在上面直接运行代码。由于需要I/O接口,NAND要复杂得多。各种NAND器件的存取方法因厂家而异。在使用NAND器件时,必须先写入驱动程序,才能继续执行其他操作。向NAND器件写入信息需要相当的技巧,因为设计师绝不能向坏块写入,这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。

8)       软件支持

当讨论软件支持的时候,应该区别基本的读//擦操作和高一级的用于磁盘仿真和闪存管理算法的软件,包括性能优化。在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持,在NAND器件上进行同样操作时,通常需要驱动程序,也就是内存技术驱动程序(MTD)NANDNOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。使用NOR器件时所需要的MTD要相对少一些,许多厂商都提供用于NOR器件的更高级软件,这其中包括M-SystemTrueFFS驱动,该驱动被Wind River SystemMicrosoftQNX Software SystemSymbianIntel等厂商所采用。驱动还用于对DiskOnChip产品进行仿真和NAND闪存的管理,包括纠错、坏块处理和损耗平衡。

在掌上电脑里要使用NAND FLASH 存储数据和程序,但是必须有NOR FLASH来启动。除了SAMSUNG处理器,其他用在掌上电脑的主流处理器还不支持直接由NAND FLASH 启动程序。因此,必须先用一片小的NOR FLASH 启动机器,在把OS等软件从NAND FLASH 载入SDRAM中运行才行。

9)       主要供应商

NOR FLASH的主要供应商是INTEL ,MICRO等厂商,曾经是FLASH的主流产品,但现在被NANDFLASH挤的比较难受。它的优点是可以直接从FLASH中运行程序,但是工艺复杂,价格比较贵。

NAND FLASH的主要供应商是SAMSUNG和东芝,在U盘、各种存储卡、MP3播放器里面的都是这种FLASH,由于工艺上的不同,它比NORFLASH拥有更大存储容量,而且便宜。但也有缺点,就是无法寻址直接运行程序,只能存储数据。另外NAND FLASH非常容易出现坏区,所以需要有校验的算法。

3NAND Flash的硬件设计

NAND FLASH是采用与非门结构技术的非易失存储器8位和16位两种组织形式下面以8位的NAND FLASH进行讨论。

1)      接口信号

NOR Flash相比较,其数据线宽度只有8bit,没有地址总线,I/O接口可用于控制命令和地址的输入,也可用于数据的输入和输出,多了CLEALE来区分总线上的数据类别。

信号

类型

描述

CLE

O

命令锁存使能

ALE

O

地址锁存使能

nFCE

O

NAND Flash片选

NFRE

O

NAND Flash读使能

nFWE

O

NAND Flash写使能

NCON

I

NAND Flash配置

R/nB

I

NAND Flash Ready/Busy

2)      地址结构

NAND FLASH主要以页(page)为单位进行读写,以块(block)为单位进行擦除。FLASH页的大小和块的大小因不同类型块结构而不同,块结构有两种:小块(图7)和大块(图8),小块NAND FLASH包含32个页,每页512+16字节;大块NAND FLASH包含64页,每页2048+64字节。

点击看大图

7 小块类型NAND FLASH

点击看大图

8 大块类型NAND FLASH

其中,512B(或1024B)用于存放数据,16B64B)用于存放其他信息(包括:块好坏的标记、块的逻辑地址、页内数据的ECC校验和等)NAND设备的随机读取得效率很低,一般以页为单位进行读操作。系统在每次读一页后会计算其校验和,并和存储在页内的冗余的16B内的校验和做比较,以此来判断读出的数据是否正确。

大块和小块NAND FLASH都有与页大小相同的页寄存器,用于数据缓存。当读数据时,先从NAND FLASH内存单元把数据读到页寄存器,外部通过访问NAND FLASH I/O端口获得页寄存器中数据(地址自动累加);当写数据时,外部通过NAND FLASH I/O端口输入的数据首先缓存在页寄存器,写命令发出后才写入到内存单元中。

3)      接口电路设计(以下以2410K9F1208U为例)

2410处理器拥有专门针对 NAND设备的接口,可以很方便地和NAND设备对接,如图9所示。虽然NAND设备的接口比较简单,容易接到系统总线上,但2410处理器针对NAND设备还集成了硬件ECC校验,这将大大提高NAND设备的读写效率。当没有处理器的ECC支持时,就需要由软件来完成ECC校验,这将消耗大量的CPU资源,使读写速度下降。

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9 S3C2410NAND FLASH接口电路示意图

posted on 2008-09-20 22:13 ison 阅读(1200) 评论(0)  编辑 收藏 引用
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