FLASH的读写原理.docx
《FLASH的读写原理.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《FLASH的读写原理.docx（22页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
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：
A0~A16：
AddressInputs（地址线的数量与FlashROM的容量有关）
DQ0~DQ7：
DataInputs/Outputs
#CE：
ChipEnableInput（芯片使能）
#OE：
OutputEnableInput（输出使能）
#WE：
WriteEnableInput
Figure2-1Vdd：
PowerSupply
GND：
Ground
一般提供了如下几种功能状态：
1.ReadArrayMode
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.PageWriteMode
PageType的FlashROM的编程的基本单位是“页”，每一“页”包含一定
的数据（一般为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OUTPUTBUFFER）；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的非挥发存储器阵
列（即上图的COREARRAY）。
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”大小为128字节为例，指明“页”地址
的地址线为A7~A16，指明“页”内偏移的地址线为A0~A6。
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.SoftWareProtectedDataWrite
FlashROM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（WinbondW29EE011是PageType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
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0x20。
固然不同
的FlashROM对这些命令序列的定义可能有所不同。
4.HardWareDataProtection
FlashROM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。
StatusDetection
FlashROM一般会提供多种编程状态的检测方法，常见的有两种：
Data
Polling和ToggleBit。
下面分别说明。
DataPolling：
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。
ToggleBit：
当FlashROM仍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.SoftWareChipErase
FlashROM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，并且会在执行完之后自动返回至
ReadMode；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.ProductIdentification
FlashROM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ProductID）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。
ProductID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为例，检测ProductID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ProductID来对特定的FlashROM设定指定的擦除/写入方
法。
SectorType
SectorType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PageType复杂。
SectorType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Figure2-2是一个典型的SectorType的FlashROM的结构框图：
引脚一般包括：
A0–A21：
AddressInputs（地址线的数目与FlashROM的容量有关）
DQ0–DQ15：
DataInput/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：
ChipEnableInput
#OE：
OutputEnableInput
#WE：
WriteEnableInput
#RP：
Reset/DeepPower-DownInput（通过两级电平（VIL,VIH）来控制
reset/deeppowerdown模式）
#WP：
WriteProtectInput
VCC：
Power，DEVICEPowerSupply
Figure2-2
中国科学技术大学本科毕业论文
第13页
VPP：
Power，PROGRAM/ERASEPowerSupply
GND：
Ground
一般提供了如下几种功能状态：
1.ReadArray
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，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ReadArray状态必需先写入一组命令字。
以Intel28F016B3为例
（Intel28F016B3是Intel公司生产的“AdvancedBootBlockFlashMemory（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.ProductIdentification
读产品的生产厂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Intel28F016B3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ReadArrayMode需要写入一组三字节的指
令序列（即在前面ReadArrayMode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/ClearStatusRegister
FlashROM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Intel28F016B3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ReadArrayMode需要写入一组三字节的指令序列（即在
前面ReadArrayMode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IntelIntel
28F016B3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
ReadArrayMode需要写入一组三字节的指令序列（即在前面描述ReadArray
Mode描述的指令序列）。
4.ProgramMode
SectorType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Intel28F016B3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，SectorType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ReadArray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/ClearStatus
Register所描述的内容）。
从该模式退出至ReadArrayMode需要写入一组三字
节的指令序列（即在前面ReadArrayMode描述的指令序列）。
5.EraseMode
所有的SectorType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ReadArray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/ClearStatus
Register所描述的内容）。
从该模式退出至ReadArrayMode需要写入一组三字
节的指令序列（即在前面ReadArrayMode描述的指令序列）。
6.HardwareDataProtectionandOtherMode
SectorType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。
ActivePower，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。
AutomaticPowerSavings（APS）自动节能状态
APS是能够在FlashROM处于ReadArray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。
StandbyPower待机状态
当#CE处于高电平并且之前FlashROM是在ReadArray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。
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。
DeepPower-DownMode/ResetMode复位
当#RP处于低电平时FlashROM进入该状态。
当FlashROM从ReadArray
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#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-EraseType
这种类型的FlashROM大体上与SectorType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SectorType的编程原理基本相同，即在写入时都是
只允许将“1”改成“0”，而不允许将“0”改成“1”。
这方面产品的一个例子
是STM29F512B。
Bulk-EraseBlankingType
这种类型的FlashROM大体上与Bulk-EraseType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。
SmallSectorType
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Sector
Type定义的Sector包含的字节数要少，与PageType定义的“页”大小比较近
似；它在对一个Sector进行写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PageType的
单位定义和SectorType的操作特性。
这方面产品的一个例子是SST28SF040。
小结：
5类FlashROM的比较
这5类FlashROM中，PageType和SectorType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
升级会员 