NORSRAMSDRAMNAND结构和容量计算.docx

1、NORSRAMSDRAMNAND结构和容量计算NOR flash,NAND flash,SDRAM结构和容量分析1.NOR flash结构和容量分析 例如：HY29LV160 。 引脚分别如图： HY29LV160 有20根地址线,16位的数据线。所以： 容量=220X16bit =1MX16bit=1MX2B =2MB2.SRAM简单介绍SRAM是英文Static RAM的缩写,它是一种具有静止存取功能的内存,不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。SRAM不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。而DRAMDynamic Random Access Memory每隔一段时间,要刷新充电一次,

2、否则内部的数据即会消失,因此SRAM具有较高的性能,但是SRAM也有它的缺点,即它的集成度较低,相同容量的DRAM内存可以设计为较小的体积,但是SRAM却需要很大的体积,且功耗较大。所以在主板上SRAM存储器要占用一部分面积。 SRAM一种是置于CPU与主存间的高速缓存,它有两种规格：一种是固定在主板上的高速缓存Cache Memory ；另一种是插在卡槽上的COASTCache On A Stick扩充用的高速缓存,另外在CMOS芯片1468l8的电路里,它的内部也有较小容量的128字节SRAM,存储我们所设置的配置数据。还有为了加速CPU内部数据的传送,自80486CPU起,在CPU的内部

3、也设计有高速缓存,故在Pentium CPU就有所谓的L1 Cache一级高速缓存和L2Cache二级高速缓存的名词,一般L1 Cache是内建在CPU的内部,L2 Cache是设计在CPU的外部,但是Pentium Pro把L1和L2 Cache同时设计在CPU的内部,故Pentium Pro的体积较大。最新的Pentium II又把L2 Cache移至CPU内核之外的黑盒子里。SRAM显然速度快,不需要刷新的操作,但是也有另外的缺点,就是价格高,体积大,所以在主板上还不能作为用量较大的主存。现将它的特点归纳如下： 优点,速度快,不必配合内存刷新电路,可提高整体的工作效率。 缺点,集成度低,

4、功耗较大,相同的容量体积较大,而且价格较高,少量用于关键性系统以提高效率。 SRAM使用的系统： CPU与主存之间的高速缓存。 CPU内部的L1L2或外部的L2高速缓存。 CPU外部扩充用的COAST高速缓存。 CMOS 146818芯片RTCMOS SRAM。主要用途：SRAM主要用于二级高速缓存。它利用晶体管来存储数据。与DRAM相比,SRAM的速度快,但在相同面积中SRAM的容量要比其他类型的内存小。 SRAMSRAM的速度快但昂贵,一般用小容量的SRAM作为更高速CPU和较低速DRAM 之间的缓存cache.SRAM也有许多种,如AsyncSRAM 、Sync SRAM 、PBSRAM

5、 ,还有INTEL没有公布细节的CSRAM等。 基本的SRAM的架构如图1所示,SRAM一般可分为五大部分:存储单元阵列,行/列地址译码器,灵敏放大器,控制电路,缓冲/驱动电路。 SRAM是静态存储方式,以双稳态电路作为存储单元,SRAM不象DRAM一样需要不断刷新,而且工作速度较快,但由于存储单元器件较多,集成度不太高,功耗也较大。3.SDRAM 结构和容量分析SDRAM基础知识SDRAM : Synchronous Dynamic Random Access Memory,同步动态随机存取存储器。同步是指Memory工作需要步时钟,内部的命令的发送与数据的传输都以它为基准。动态是指存储阵列

6、需要不断的刷新来保证数据不丢失。随机是指数据不是线性依次存储,而是由指定地址进行数据读写。SDRAM从发展到现在已经经历了四代,分别是：第一代SDR SDRAM,第二代DDR SDRAM,第三代DDR2 SDRAM,第四代DDR3 SDRAM.第一代与第二代SDRAM均采用单端Single-Ended时钟信号,第三代与第四代由于工作频率比较快,所以采用可降低干扰的差分时钟信号作为同步时钟。SDR SDRAM的时钟频率就是数据存储的频率,第一代内存用时钟频率命名,如pc100,pc133则表明时钟信号为100或133MHz,数据读写速率也为100或133MHz。之后的第二,三,四代DDRDoub

7、le Data Rate内存则采用数据读写速率作为命名标准,并且在前面加上表示其DDR代数的符号,PC-即DDR,PC2=DDR2,PC3=DDR3。如PC2700是DDR333,其工作频率是333/2=166MHz,2700表示带宽为2.7G。DDR的读写频率从DDR200到DDR400,DDR2从DDR2-400到DDR2-800,DDR3从DDR3-800到DDR3-1666。例如：HY57V641620： HY57V641620引脚分布：HY57V641620 有12根地址线。但要注意：SDRAM的行地址和列地址是公用这12根地址线的。行地址：A11A0,列地址：A7A0。RAS#行地

8、址锁存有效时,地址为行地址,A11A0。CAS#列地址锁存有效时,地址为列地址,A7A0。HY57V641620 有两个Bank地址。AB1,BA0.用于片内4个组BanK的选择。HY57V641620 有16位数据总线：DQ15DQ0。所以HY57V641620的容量计算公式是：容量=212X28X16X22bit =220X16X4bit =1MX2X4Byte =8MB4.NAND flash结构和容量分析NAND FLASH 和NOR FLASH 的区别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、多数播放器、各种类型的盘、很多PDA里面都有NAND

9、FLASH的身影。1.Flash的简介NOR Flash：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中再执行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以页为单位进行读写操作,1页为256B或512B；以块为单位进行擦除操作,1块为4KB、8KB或16KB。具有快编程和快擦除的功能数据、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 芯片尺寸小,引脚少,是位成本bit

10、cost最低的固态存储器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Samsung、TOSHIBA和Fujistu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8Gbit。NAND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和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flas

11、h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NOR和NADN之间的性能差距,统计表明,对于给定的一套写入操作,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

12、一些。 NAND的写入速度比NOR快很多。 NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s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

13、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,NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC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、位交换和坏块处理三个方面

14、来比较NOR和NAND的可靠性。在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10比1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,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/错误更正算法。位反转的问题更多见于NAND闪存,NAND的供应商建议

15、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

16、。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/写/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,N

17、AND和NOR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-System的TrueFFS驱动,该驱动被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel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 FL

18、ASH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

19、容易出现坏区,所以需要有校验的算法。Nand-flash存储器是flash存储器的-种,其内部采用非线性宏单元模式,为固态大容量存储器的实现提供了廉价有效的解决方案。Nand-flash存储器具有容量较大,改写速度快,适用于大量资料的存储,因而在业界得到了越来越广泛的应用,如嵌入式产品中包括数码相机、MP3随身听记忆卡、体积小巧的U盘等。内存和NOR型闪存的基本存储单元是bit,用户可以随机访问任何一个bit的信息。而NAND型闪存的基本存储单元是页Page可以看到, NAND型闪存的页就类似硬盘的扇区,硬盘的一个扇区也为512字节。每一页的有效容量是512字节的倍数。所谓的有效容量是指用于数

20、据存储的部分,实际上还要加上16字节的校验信息,因此我们可以在闪存厂商的技术资料当中看到512+16Byte的表示方式。目前2Gb以下容量的NAND型闪存绝大多数是512+16字节的页面容量,2Gb以上容量的NAND型闪存则将页容量扩大到2048+64字节。NAND型闪存以块为单位进行擦除操作。闪存的写入操作必须在空白区域进行,如果目标区域已经有数据,必须先擦除后写入,因此擦除操作是闪存的基本操作。一般每个块包含32个512字节的页,容量16KB；而大容量闪存采用2KB页时,则每个块包含64个页,容量128KB。每颗NAND型闪存 的I/O接口一般是8条,每条数据线每次传输512+16bit信

21、息,8条就是512+168bit,也就是前面说的512字节。但较大容量的 NAND型闪存也越来越多地采用16条I/O线的设计,如三星编号K9K1G16U0A的芯片就是64M16bit的NAND型闪存,容量1Gb,基本数据单位是256+816bit,还是512字节。寻址时,NAND型闪存通过8条I/O接口数据线传输地址信息包,每包传送 8位地址信息。由于闪存芯片容量比较大,一组8位地址只够寻址256个页,显然是不够的,因此通常一次地址传送需要分若干组,占用若干个时钟周期。 NAND的地址信息包括列地址页面中的起始操作地址、块地址和相应的页面地址,传送时分别分组,至少需要三次,占用三个周期。随着容

22、量的增大,地址信息会更多,需要占用更多的时钟周期传输,因此NAND型闪存的一个重要特点就是容量越大,寻址时间越长。而且,由于传送地址周期比其他存储介质长,因此 NAND型闪存比其他存储介质更不适合大量的小容量读写请求。和磁盘类似,NAND Flash读写数据的基本粒度为页page,然而读、写数据所需的时间却不一样,一般写入时间是读出的3到10倍。此外,Flash不允许数据的直接覆盖写,必须首先擦除旧有数据才能写入新的,而擦除的粒度为块block,通常一个块包含有64个页。擦除的速度是很慢的,而且每一块的擦除次数也有限,平均为100万次。下面将给出一个例子来具体说明NAND Flash的特点。下

23、面是三星K9K8G08U0M芯片的Flash组织结构图。NAND Flash 组织结构图 从图中可以看出,整个Flash的容量为8448Mbit,其中含有8192个物理块,每块包含64个页,每页除了2K的数据区之外,还有64字节的额外空间用于存放错误校验码等信息。除了Flash的主体,我们还可以看到一个一页大小的数据寄存器。事实上,每一次Flash的读写操作都需要使用这个寄存器来完成。例如,读操作实际上分成两个阶段,首先是把指定地址中的整页数据载入到寄存器中时间为20微秒,然后再从寄存器输出数据,可以连续输出,也可以根据指定偏移量随机输出,且随机输出的次数不限每个字节的输出周期为20纳秒；而写

24、操作也分为两个阶段,第一阶段是把数据从外界输入到寄存器,可以整页输入,也可以随机输入,且随机输入的次数不限,每字节的输入周期也是20纳秒,第二阶段便是把寄存器中的数据固化到Flash上,时间为200微秒,每一页原则上只能有一次固化操作,然而大部分NAND Flash如本例允许在同一页中的几个片断按照先后顺序分几次写入,本例中为4次,这种情况叫做partial page programming。 除了partial page programming,NAND Flash还有另外一种有意思的操作,也和数据寄存器相关,叫做copy-back。就是说,当某个数据页需要被复制到新的位置时,只需将其载入到

25、数据寄存器中,然后根据接收到的目标地址将该页数据固化到Flash上新的位置,这样就省去了整页数据在寄存器和RAM之间的输入输出过程。另外,在数据被载入到寄存器之后,Flash允许程序使用随机输入数据的方式改写该页的部分内容,然后再固化到目标位置。NAND 基础知识vcell：NAND Flash 的数据是以bit 的方式保存在memory cell,一般来说,一个cell 中只能存储一个bit。vBit line：这些cell 以8 个或者16 个为单位,连成bit line,形成所谓的byte/word,这就是NAND Device 的位宽。这些Line 会再组成Page. NAND fla

26、sh,large page大小为2048字节,Small page为512字节vNand flash 以页为单位读写数据,而以块为单位擦除数据。v按照这样的组织方式可以形成所谓的三类地址： Block Address |Page Address|Column Address v对于NAND Flash 来讲,地址和命令只能在I/O7:0上传递,数据宽度是8 位。而数据位可以是8位,或者16位,是根据IO的口的数量来决定的。vNAND FLASH主要以页page为单位进行读写,以块为单位进行擦除。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

27、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。v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。v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

28、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。Nand Flash 有多种结构1下面针对三星K9F1208U0M,页面为512byte,IO数据为8位。K9F1208U0M:512Mbit=64MByte。1Block=16KByte,Numberof=4096 1Block=32Page1Page由3个分区,main area 的两个分区,和sare area三个分区组成1Page=528Byte=512Byte+16Byte 用户数据保存在main area中。首先,必须清楚一点,对于NAND Flas

29、h来讲,地址和命令只能在I/O7:0上传递,数据宽度可以是8位或者16位,但是,对于x16的NAND Device,I/O15:8只用于传递数据。512byte需要9bit来表示,对于528byte系列的NAND,这512byte被分成1st half和2nd half,各自的访问由所谓的pointer operation命令来选择,也就是选择了bit8的高低。因此A8就是 halfpage pointer这是我给出的一个名字,A7:0就是所谓的column address。A8这一位地址被用来设置512byte的1st half page还是2nd half page,0表示1st,1表示2

30、nd。Block的地址是由A14以上的bit来表示。A8 是由硬件寄存器决定的。选择哪半个page是由IO传输的命令控制的。具体参照datasheet,如下图： 28=256byte 256bytex2=512byteA832个page需要5bit来表示,占用A13:9,即该page在块内的相对地址,即page address。25=32page 一个block有32个pageBlock的地址是由A14以上的bit来表示,例如512Mb的NAND,共4096block,因此,需要12个bit来表示,即A25:14,如果是1Gbit的528byte/page的NAND Flash,则block address用A26:14表示。 226-14+1=8192blocks总共有这些block 226-9+1+27-0+1=226=67108864page总共有这些pages在编程上面可以这样：NAND Flash的地址表示为：Block Address | Page Address in block | half page pointer | Column Address地址传送顺序是Column Address , Page Address , Block Address。例如一个地址：0x00aa55aa 0000 0000 1