FLASH的读写原理.docx

1、FLASH的读写原理FLASH的读写原理FlashROM 一般是一种单芯的FlashROM，从读写方式上看能够说是最简单的一种FlashROM。特点是写入的单位是“页”，且写入新数据之前不需要先擦除其中原有的内容。结构框图一般下 所示：引脚一般有：A0A16：Address Inputs （地址线的数量与FlashROM 的容量有关）DQ0DQ7：Data Inputs/Outputs#CE：Chip Enable Input （芯片使能）#OE：Output Enable Input （输出使能）#WE：Write Enable Input Figure 2-1 Vdd：Power Supp

2、lyGND：Ground一般提供了如下几种功能状态：1. Read Array Mode由#CE 和#OE 控制。当两者都为低电平时宿主（FlashROM 所在的设备，本文描述的主板BIOS 的读写，所以在这里可以将宿主理解为主板，下同）才可以从FlashROM 中读取数据。#CE 用于设备选择，当# CE 为高电平时FlashROM 不被选中。 #OE 用于输出控制，当#OE 为高电平时输出被阻止。当#CE 和#OE 两者中任一为高电平时数据总线处于高阻抗状态。2. Page Write ModePage Type 的FlashROM 的编程的基本单位是“页”，每一“页”包含一定的数据（一般

3、为128 字节或256 字节）。如果要修改一“页”中的某一个字节的数据，需要将这一“页”的数据全部读出，修改指定的字节，再写回至FlashROM中。在写入每一“页”的时候，如果该“页”的某个字节没有被写入FlashROM，那么FlashROM 中的对应位置上的数据将会被擦除为0xFF。写操作的初始化状态一般是#CE 和#WE 为低电平且#OE 为高电平。写操作进程通常包括两个步骤：第一步是字节装载周期，在那个周期中宿主将一页的数据写入FlashROM的页缓冲区（即上图的OUTPUT BUFFER）；第二步是内部编程周期，在那个周期中FlashROM 的页缓冲区的内容被同时写入FlashROM

4、的非挥发存储器阵列（即上图的CORE ARRAY）。在字节装载周期中，在#CE 或#WE 的下降沿二者出现的较晚的时刻地址被锁存，在#CE 或#WE 的上升沿两者出现较早的时刻数据被锁存。字节装载周期中宿主向FlashROM 的页缓冲区写数据时单位为字节，但不一定必须按顺序写入。在字节装载周期中，如果在设定的时间内没有新的数据写入，即在上一次#WE 发生电平跳变之后的设定的时间内没有再次发生#WE 的电平跳变，FlashROM 将结束字节装载周期进入内部编程周期。地址线的高若干位指明“页”地址，低若干位指明每个字节在该“页”中地址。这里，不同的FlashROM对“页”大小的定义有差异，以“页”

5、大小为128 字节为例，指明“页”地址的地址线为 A7A16，指明“页”内偏移的地址线为A0A6。在内部编程周期中，FlashROM 的页缓冲区中的内容被同时写入FlashROM 的非挥发性存储器阵列中；在这个过程中宿主可以执行除对FlashROM 操作外的任何任务。3. SoftWare Protected Data WriteFlashROM 一般会提供软件保护数据写模式，当这种模式被启用后，在进行任何写操作之前都必须先写入一组三个字节的命令序列（即向特定的地址写入特定的数据）。这个三字节的命令序列开启了字节装载周期，否则写操作不会被激活。这种策略可以保护FlashROM 免受无意造成的写

6、周期，比如，由于系统启动或关闭时产生的总线上的噪声，的影响。退出该模式需要写入一组六字节的命令序列。事实上这一点也是通过软件写BIOS 的基础。以Winbond 公司制造的W29EE011 为例（Winbond W29EE011 是Page Type 的FlashROM 产品，下文将简称为W29EE011），进入写操作之前要写入的命令序列为：向地址0x5555 写入0xAA、向地址0x2AAA 写入0x55、向地址0x5555 写入0xA0，然后才可以进入字节装载周期。这里提到的地址指相对于FlashROM 映射到物理地址的起始地址。退出写操作需要写入的命令序列为：向地址0x5555 写入0x

7、AA、向地址0x2AAA 写入0x55、向地址0x5555 写入0x80、向地址0x5555写入0xAA、向地址0x2AAA 写入0x55、向地址0x5555 写入0x20。固然不同的FlashROM 对这些命令序列的定义可能有所不同。4. HardWare Data ProtectionFlashROM 一般会提供多种硬件上的数据保护策略，这里列出其中的一部分：(1) 噪声保护：#WE 脉冲时间长度小于指定时间长度的会被忽略而不会开启写周期；这种策略可以降低信号中的毛刺的影响；(2) VDD 电压检测：当VDD 的电压值小于指定值时，读写操作都会被忽略；(3) 抑制写模式：强制使#OE 为低

8、电平，#CE 或#WE 为高电平可以使写操作被忽略；这种策略可以避免在系统启动和关闭时总线上产生的噪声的影响；固然有些厂商可能会针对自己的产品提出一些特殊的数据保护策略，这里不再列举。 Status DetectionFlashROM 一般会提供多种编程状态的检测方法，常见的有两种：DataPolling 和Toggle Bit。下面分别说明。Data Polling：当FlashROM 仍然处于内部编程周期时，读取在字节装载周期所载入的最后一个字节时，其某一位（通常是最高位）的值将是真实数据的补码；直至内部编程周期结束后，该位的内容才会变成真实值。Toggle Bit：当FlashROM 仍

9、然处于内部编程周期时，连续地读此前在字节装载周期载入的某个字节时，其某一位（通常是次高位）的值将是连续的0 和1 的跳变；直至内部编程周期结束后，该位的内容才会稳定下来变成真实值。这两种方法提供了内部编程模式的状态检测方法。如上所说，由于FlashROM 在处于内部编程周期中时对FlashROM 的任何写入操作都是非法的，因此只有在通过状态检测确认FlashROM 已经完成了内部编程周期之后才能对其进行进一步的操作，如写入下一页等。6. SoftWare Chip EraseFlashROM 一般会提供用软件擦除芯片模式。启用这种模式需要先写入一组六字节的指令序列，擦除模式会自动执行，并且会在

10、执行完之后自动返回至Read Mode；擦除模式的执行是在FlashROM 的内部进行的，其间不需要宿主的干预，当然宿主也不应对FlashROM 有任何与写操作相关的操作。以W29EE011 为例，这一组指令序列为：向地址0x5555 写入0xAA、向地址0x2AAA写入0x55、向地址0x5555 写入0x80、向地址0x5555 写入0xAA、向地址0x2AAA写入0x55、向地址0x5555 写入0x10。这里提到的地址指相对于FlashROM 映射到物理地址的起始地址。不同厂商的FlashROM 对这些命令序列的定义可能有所不同。中国科学技术大学本科毕业论文第 11 页7. Produ

11、ct IdentificationFlashROM 一般会内置厂商代码和产品代码，该功能用于输出这两个代码。这两个代码（下面称为Product ID）是该型号产品的认证码，通过这两个代码可以检索到这个型号的产品的全部信息。Product ID 可以通过硬件和软件的方法检测。硬件检测方法是将某些引脚的信号置为特定的高低电平组合，这个组合各种产品的定义多少都有些差别，在这里不作说明；软件检测方法是写入一组六字节的指令序列（有些FlashROM可能是写入三字节的指令序列，这个定义主要来自厂商的差别），然后读取指定地址上的数据。检测完之后还需要写入一组三字节的指令序列以退出该模式。以 W29EE011

12、 为例，检测Product ID 需写入的指令序列为：向地址0x5555写入0xAA、向地址0x2AAA 写入0x55、向地址0x5555 写入0x80、向地址0x5555写入0xAA、向地址0x2AAA 写入0x55、向地址0x5555 写入0x60；然后从地址0 上读取厂商代码，从地址1 上读取产品代码；对这个型号的产品来说，厂商代码为0xDA，产品代码为0xC1；退出该模式需写入的指令序列为：向地址0x5555 写入0xAA、向地址0x2AAA 写入0x55、向地址0x5555 写入0xF0。这里提到的地址指相对于FlashROM 映射到物理地址的起始地址。不同厂商的FlashROM 对

13、这些指令序列的定义可能有所不同。该模式的重要性在于，不同的FlashROM 的擦除/写入方法存在差异，因此需要通过检测到的Product ID 来对特定的FlashROM 设定指定的擦除/写入方法。 Sector TypeSector Type 的FlashROM 一般包括多个区块，对一个区块的擦除/写入操作不会影响其它区块。从结构上来看较Page Type 复杂。Sector Type 的FlashROM写入的单位是字节，但是在写入新数据前需要将要写入的地址所在的Sector 原有的内容全部擦除。中国科学技术大学本科毕业论文第 12 页如下 Figure 2-2 是一个典型的Sector T

14、ype 的FlashROM 的结构框图：引脚一般包括：A0A21：Address Inputs（地址线的数目与FlashROM 的容量有关）DQ0DQ15：Data Input/Output（一般来说数据线只需8 位即可，有些产品可能出于某些考虑设计了16 条数据线）#CE：Chip Enable Input#OE：Output Enable Input#WE：Write Enable Input#RP：Reset/Deep Power-Down Input（通过两级电平(VIL, VIH)来控制reset/deep powerdown 模式）#WP：Write Protect InputVC

15、C：Power，DEVICE Power SupplyFigure 2-2中国科学技术大学本科毕业论文第 13 页VPP： Power，PROGRAM/ERASE Power SupplyGND：Ground一般提供了如下几种功能状态：1. Read Array这是通常所能见到的状态，现在FlashROM 的表现同一般的ROM，能够随机读取。进入该模式的条件是：#RP 从低电平跳至高电平。通常加电后#RP 就会发生跳变。因此可以说这种状态就是FlashROM 默认的状态。当然要能够被宿主访问还需要如下的信号：#WE 处于高电平；#CE 处于低电平；#OE 处于低电平；#RP 处于高电平。固然，

16、另外还需腹地址线上的相应的地址信号。从其它的状态，如擦除/写入状态返回Read Array 状态必需先写入一组命令字。以Intel 28F016B3 为例（Intel 28F016B3 是Intel 公司生产的“Advanced Boot Block Flash Memory（B3）”系列产品中的一个型号），这一组命令字是：向地址0x5555 写入0xAA、向地址0x2AAA 写入0x55、向地址0x5555 写入0xFF。这里提到的地址指相对于FlashROM 映射到物理地址的起始地址。不同的产品对这组命令字的定义可能有所不同。2. Product Identification读产品的生产厂

17、商代码和产品代码的操作。一般FlashROM 会提供一组特殊的指令来检测这两个代码。这部分请参考上一节相关部分的描述。为表明不同产品在这个模式操作的定义上的不同，这里以Intel 28F016B3 为例说明检测方法。对用作示例的FlashROM 来说，读取厂商朝码和产品代码之前需要写入一组三字节的指令序列：向地址0x5555 写入0xAA、向地址0x2AAA 写入0x5五、向地址0x5555 写入0x90。这里提到的地址指相对于FlashROM 映射到物理地址的起始地址。之后从地址0 上读取厂商ID，从地址1 上读取产品ID；Intel的厂商ID 为0x89。从该模式退出至Read Array

18、 Mode 需要写入一组三字节的指令序列（即在前面Read Array Mode 描述的指令序列）。中国科学技术大学本科毕业论文第 14 页3. Read/Clear Status RegisterFlashROM 中的状态寄存器指明擦除/写入操作的进行情况（完成与否和成功与否）。读取该寄存器信息需要预先写入一组三字节的指令序列。在这里要强调一下，所有的FlashROM 都会提供擦除/写入操作进行情况的检测方法，但是不同的产品提供的方法多少有些不同；这里只是描述其中的一种方法。以 Intel 28F016B3 为例，读取状态寄放器需要预先写入的指令序列是：向地址0x5555 写入0xAA、向地

19、址0x2AAA 写入0x5五、向地址0x5555 写入0x70。这里提到的地址指相对于FlashROM 映射到物理地址的起始地址。写入这一组指令序列后读操作的结果反映在DQ 数据线的低八位上就是状态寄存器的内容。从该模式退出至Read Array Mode 需要写入一组三字节的指令序列（即在前面Read Array Mode 描述的指令序列）。为了防止可能的总线上的错误（如毛刺的影响），设计时一般会在#OE 或#CE 的下降沿将状态寄存器的数据锁存。如果擦除/写入动作没有完成，则#CE 或#OE 将持续翻转。状态寄存器一般也会有特殊的指令可以清除其中的内容，以 Intel Intel28F01

20、6B3 为例，清除状态寄放器内容的一组指令是：向地址0x5555 写入0xAA、向地址0x2AAA 写入0x55、向地址0x5555 写入0x50。这里提到的地址指相对于FlashROM 映射到物理地址的起始地址。不过可能并不是所有位都能清除，因为厂商可能会对状态寄存器的特定位作特殊的定义。当然，从该模式退出至Read Array Mode 需要写入一组三字节的指令序列（即在前面描述Read ArrayMode 描述的指令序列）。4. Program ModeSector Type 的FlashROM 写入的单位是字节。通常写入操作是通过两步来完成的。首先要写入一组指令序列，然后才可以向指定的

21、地址写入指定的数据，随后FlashROM 将会执行内部编程动作将指定的内容写入非挥发性存储器阵列。以Intel 28F016B3 为例，写入数据前需要预先写入的指令序列是：向地址0x5555 写入0xAA、向地址0x2AAA 写入0x55、向地址0x5555 写入0x40。这中国科学技术大学本科毕业论文第 15 页里提到的地址指相对于 FlashROM 映射到物理地址的起始地址。随后才可以向指定的地址写入指定的数据。要注意的是，Sector Type 的编程只能将指定位的值由“1”变成“0”，而不能将“0”变成“1”，这也就是在写入新数据前需要将原有数据擦除的原因。写入操作的进行情况由状态寄存

22、器反映。在执行写入操作的时候所允许的操作只有读状态寄存器和/或有些产品提供的编程延缓和编程再继续操作。这两个操作可以暂时中断写入过程以执行其它的动作，比如Read Array 操作等。结束该模式需要清除状态寄存器中的内容（即在前面 Read/Clear StatusRegister 所描述的内容）。从该模式退出至Read Array Mode 需要写入一组三字节的指令序列（即在前面Read Array Mode 描述的指令序列）。5. Erase Mode所有的Sector Type 的FlashROM 都需要提供擦除功能。擦除一个Sector 的内容通常也是需要两步：擦除设置命令和擦除确认命

23、令。同时需要指定要擦除的Sector 的地址。在擦除过程中，该Sector 内的所有位都会被置为“1”。一般一次只允许擦除一个Sector，且擦除一个Sector 不会影响存储器阵列中的其它Sector 的内容。擦除动作的进行情况由状态寄存器反映。在执行擦除操作的时候所允许的操作只有读状态寄存器和/或有些产品提供的擦除延缓和擦除再继续操作。这两个操作可以暂时中断擦除过程以执行其它的动作，比如Read Array 操作和对其它地址上的写入操作等。结束该模式需要清除状态寄存器中的内容（即在前面 Read/Clear StatusRegister 所描述的内容）。从该模式退出至Read Array

24、Mode 需要写入一组三字节的指令序列（即在前面Read Array Mode 描述的指令序列）。6. Hardware Data Protection and Other ModeSector Type 的FlashROM 对数据的硬件上的保护大同小异，主要目的都是为了避免总线上的突发信号对 FlashROM 产生的不可预期的影响。接下来从功耗的角度介绍一下 FlashROM 的几种工作状态。Active Power，活动态当#CE 处于低电平且#RP 处于高电平时，FlashROM 处于活动状态。活动状态是FlashROM 功耗的主要部分。降低活动态的能耗有利于降低整个系统的功耗。Auto

25、matic Power Savings（APS）自动节能状态APS是能够在FlashROM处于Read Array 模式下提供自动节能的一项技术。在数据被从存储器阵列中读出后，地址线上没有信号的时候，自动节能电路会将FlashROM 置于这种小电流的状态；直到地址线上再次出现信号，即有新的地址被送上时才恢复到正常需要的电流水平。这种技术可以有效地降低FlashROM 的功耗。Standby Power 待机状态当#CE 处于高电平并且之前FlashROM 是在Read Array 模式下时，FlashROM 就进入待机状态。这种状态下FlashROM 中的大部分电路停止工作，因此可以降低功耗。

26、此时不论#OE 处于何种状态，数据线上始终保持高阻抗状态，也就是说，此时任何针对此FlashROM 的读写操作都无效。当然，如果#CE跳至高电平时FlashROM 是处于擦除模式或编程模式，则直至正在进行的动作完成之前，FlashROM 不会进入待机状态。Deep Power-Down Mode/Reset Mode 复位当#RP 处于低电平时FlashROM 进入该状态。当FlashROM 从Read Array模式转至此状态时，该FlashROM 被取消选定，数据线上保持高阻抗状态。从此状态恢复需要等一段指定的时间，这个时间是由硬件设计决定的。如果在FlashROM 处于擦除/写入状态时#

27、RP 跳至低电平，则所有进行中的操作会被强制退出，此时不能保证FlashROM 的内容的正确性和一致性。由于这个状态的存在，#RP 一般是与系统的复位信号相连的。中国科学技术大学本科毕业论文第 17 页 Bulk-Erase Type这种类型的FlashROM 大体上与Sector Type 的FlashROM 相似：它们都是由多个Sector 构成的，写入的单位都是字节。但是最大的不同在于这个类型的FlashROM 在写入时需要把FlashROM 中的全部内容全部清除。就是说此类型的FlashROM 的编程原理与Sector Type 的编程原理基本相同，即在写入时都是只允许将“1”改成“0

28、”，而不允许将“0”改成“1”。这方面产品的一个例子是ST M29F512B。 Bulk-Erase Blanking Type这种类型的FlashROM 大体上与Bulk-Erase Type 相似，唯一的不同在于擦除一个Sector 之前需要将该Sector 的内容全部清成0，然后才可以进行擦除操作。这方面产品的一个例子是Catalyst28F010。 Small Sector Type这个类型可以说是一个比较特别的类型。它的Sector 的定义比通常的SectorType 定义的Sector 包含的字节数要少，与Page Type 定义的“页”大小比较近似；它在对一个Sector 进行写

29、入操作之前需要对该Sector 进行擦除操作，然后才可以进行按字节进行写入操作。也就是说，该类型具有近似于Page Type 的单位定义和Sector Type 的操作特性。这方面产品的一个例子是SST 28SF040。 小结：5 类FlashROM 的比较这 5 类FlashROM 中，Page Type 和Sector Type 是目前所应用的最广泛的两类，其余三类可以看作是这两类的变形。从实际使用的角度（仅考虑作为BIOS 的载体）看，FlashROM 的最重要的性能参数指标应该是读性能。一般来说FlashROM 的访问时间比RAM 的访问中国科学技术大学本科毕业论文第 18 页时间长大约一个数量级。FlashROM 的主要用途是ROM，即在计算机加电启动时提供最初的指令。FlashROM 提供擦除/写入功能的目的是为了能够支持BIOS的较方便的更新。因此，应该可以这样说，只要FlashROM 的读性能比较优秀，不管写性能都多糟糕，就有选择它做BIOS 载体的理由。因为用户不会经常的（甚至可能一次也不会）应用到FlashROM 的擦除/写入功能。实际上目前FlashROM 的读性能大体比较相近，主板厂商选择产品可能更多的是出