NANDFLAS原理以及数据寻址方式.docx

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NANDFLAS原理以及数据寻址方式

nandflash原理

NANDFlash产品可以分为三大架构，分别是SingleLevelCell；SLC，包括三星电子、Hynix、Micron以及东芝都是此技术使用者，第二种则是MultiLevelCell；MLC，目前有东芝、Renesas使用，不过三星电子将在2005第四季推出相关产品，最后则是Infineon与SaifunSemiconductors合资利用NROM技术所共同开发的MultiBitCell；MBC。

MLC是Intel在1997年9月最先开发成功的，其作用是将两个位的信息存入一个FloatingGate（NADAFlash存储单元中存放电荷的部分），然后利用不同Level的电荷，透过内存储存格的电压控制精准读写，假设以4种电压控制、1个晶体管可存取2bits的数据，若是控制8种电压就可以存取3bits的数据，使Flash的容量大幅提升，类似Rambus的QRSL技术，通过精确控制浮动栅上的电荷数量，使其呈现出4种不同的存储状态，每种状态代表两个二进制数值（从00到11）。

当然不光是NOR型NANDFlash在使用，东芝在2003年2月推出第一款MLC型的NANDFlash，并接续2004年4月推出采用MLC技术的4Gbit与8GbitNANDFlash，显然这对于本来就以容量见长的NANDFlash更是如虎添翼。

根据SemiconductorInsights研究，东芝利用90nmMLC技术所开发出来的4Gb，其die面积为144mm2。

至于SLC技术与EEPROM相同，但在Floatinggate与Sourcegate之中的氧化薄膜更薄，其数据的写入是透过对浮置闸极的电荷加电压，然后可以透过源极，即可将所储存的电荷消除，藉由这样的方式，便可储存1个个信息位，这种技术的单一位细胞方式能提供快速的程序编程与读取，不过此技术受限于Siliconefficiency的问题，必须要藉由较先进的流程强化技术Processenhancements，才能向上提升SLC制程技术。

将上述所言，做一个比较，SLC架构是0和1两个充电值，而MLC架构可以一次储存4个以上的充电值，因此MLC架构可以有比较好的储存密度，再加上可利用比较老旧的生产设备来提高产品的容量，而无须额外投资生产设备，可以享有成本与良率的优势。

不过MLC架构有着让使用者很难容忍的缺点，就是使用寿命较短，其次MLC架构只能承受约1万次的存取，远低于SLC架构的10万次。

至于存取速度，SLC架构比MLC架构要快速三倍以上，加上MLC架构对于电力的消耗较多，因此使用者若是考虑长久使用、安全储存数据以及高速的存取速度等要求，恐怕会改采用SLC架构。

其实在NANDFlash市场中，若以理论数据比较，Renesas的AG-AND技术或是Infineon的MBC技术，其实并不逊于三星电子、东芝或是其它业者，甚至于有过之而无不及，不过这两家业者因为产能、技术开发等问题造成延迟扩大市场占有率时机，这也印证商场中的一句话，任何东西都必须要能够适时适地推出，否则只是将市场拱手让给对方。

NandFlash结构与读写分析

NANDFlash的数据是以bit的方式保存在memorycell，一般来说，一个cell中只能存储一个bit。

这些cell以8个或者16个为单位，连成bitline，形成所谓的byte（x8）/word（x16），这就是NANDDevice的位宽。

这些Line会再组成Page，（NandFlash有多种结构，我使用的NandFlash是K9F1208,下面内容针对三星的K9F1208U0M），每页528Byte，每32个page形成一个Block，Sizeof（block）=16kByte。

1block=16kbyte，512Mbit=64Mbyte，Numberof（block）=10241block=32page,1page=528byte=512byte（MainArea）+16byte（SpareArea）

Nandflash以页为单位读写数据，而以块为单位擦除数据。

按照这样的组织方式可以形成所谓的三类地址：

--BlockAddress--PageAddress  --ColumnAddress（即为页内偏移地址）

对于NANDFlash来讲，地址和命令只能在I/O[7:

0]上传递，数据宽度是8位。

512byte需要9bit来表示，对于528byte系列的NAND，这512byte被分成1sthalf和2ndhalf,各自的访问由地址指针命令来选择，A[7:

0]就是所谓的columnaddress。

32个page需要5bit来表示，占用A[13:

9]，即该page在块内的相对地址。

Block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A[25:

14]，如果是1Gbit的528byte/page的NANDFlash，则blockaddress用A[26:

14]表示。

而pageaddress就是blcokaddress|pageaddressinblock,NANDFlash的地址表示为：

BlockAddress|PageAddressinblock|halfpagepointer|ColumnAddress地址传送顺序是ColumnAddress,PageAddress,BlockAddress。

由于地址只能在I/O[7:

0]上传递，因此，必须采用移位的方式进行。

例如，对于512Mbitx8的NANDflash，地址范围是0~0x3FF_FFFF，只要是这个范围内的数值表示的地址都是有效的。

以NAND_ADDR为例：

第1步是传递columnaddress，就是NAND_ADDR[7:

0]，不需移位即可传递到I/O[7:

0]上，而halfpagepointer即bit8是由操作指令决定的，即指令决定在哪个halfpage上进行读写。

而真正的bit8的值是don\'tcare的。

第2步就是将NAND_ADDR右移9位，将NAND_ADDR[16:

9]传到I/O[7:

0]上第3步将NAND_ADDR[24:

17]放到I/O上第4步需要将NAND_ADDR[25]放到I/O上因此，整个地址传递过程需要4步才能完成，即4-stepaddressing。

如果NANDFlash的容量是256Mbit以下，那么，blockadress最高位只到bit24，因此寻址只需要3步。

下面，就x16的NANDflash器件稍微进行一下说明。

由于一个page的mainarea的容量为256word，仍相当于512byte。

但是，这个时候没有所谓的1sthalfpage和2ndhalfpage之分了，所以，bit8就变得没有意义了，也就是这个时候bit8完全不用管，地址传递仍然和x8器件相同。

除了，这一点之外，x16的NAND使用方法和x8的使用方法完全相同。

norflash和nandflash的区别

norflash中可以运行程序，nandflash不可以

Norflash按sector可擦除，按bit可读写。

NandFlash按Block可擦除，按Page可读写。

最主要是寻址方式不同

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NandFlash寻址方式

NANDFlash的寻址方式和NANDFlash的memory组织方式紧密相关。

NANDFlash的数据是以bit的方式保存在memorycell，一般来说，一个cell中只能存储一个bit。

这些cell以8个或者16个为单位，连成bitline，形成所谓的byte（x8）/word（x16），这就是NANDDevice的位宽。

    这些Line会再组成Page，通常是528Byte/page或者264Word/page。

然后，每32个page形成一个Block，Sizeof（block）=16kByte.

    Block是NANDFlash中最大的操作单元，擦除就是按照block为单位完成的，而

编程/读取是按照page为单位完成的。

    所以，按照这样的组织方式可以形成所谓的三类地址：

    -Block  Address

    -Page   Address

    -ColumnAddress

    首先，必须清楚一点，对于NANDFlash来讲，地址和命令只能在I/O[7:

0]上传递，数据宽度可以是8位或者16位，但是，对于x16的NANDDevice，I/O[15:

8]只用于传递数据。

    清楚了这一点，我们就可以开始分析NANDFlash的寻址方式了。

    以528Byte/page总容量512Mbit+512kbyte的NAND器件为例：

因为,

    1block=16kbyte，

    512Mbit=64Mbyte，

    Numberof（block）=1024

    1block=32page,

    1page=528byte=512byte（MainArea）+16byte（SpareArea）

用户数据保存在mainarea中。

    512byte需要9bit来表示，对于528byte系列的NAND，这512byte被分成1sthalf和2ndhalf,各自的访问由所谓的pointeroperation命令来选择，也就是选择了bit8的高低。

因此A8就是halfpagepointer，A[7:

0]就是所谓的columnaddress。

    32个page需要5bit来表示，占用A[13:

9]，即该page在块内的相对地址。

Block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A[25:

14]，如果是1Gbit的528byte/page的NANDFlash，共8192个block，则blockaddress用A[26:

14]表示。

而pageaddress就是blcokaddress|pageaddressinblock

NANDFlash的地址表示为：

     BlockAddress|PageAddressinblock|halfpagepointer|ColumnAddress

地址传送顺序是ColumnAddress,PageAddress,BlockAddress。

由于地址只能在I/O[7:

0]上传递，因此，必须采用移位的方式进行。

    例如，对于512Mbitx8的NANDflash，地址范围是0~0x3FF_FFFF，只要是这个范围内的数值表示的地址都是有效的。

以NAND_ADDR为例：

    第1步是传递columnaddress，就是NAND_ADDR[7:

0]，不需移位即可传递到I/O[7:

0]上而halfpagepointer即bit8是由操作指令决定的，即指令决定在哪个halfpage上进行读写，而真正的bit8的值是don'tcare的。

    第2步就是将NAND_ADDR右移9位，将NAND_ADDR[16:

9]传到I/O[7:

0]上;

    第3步将NAND_ADDR[24:

17]放到I/O上;

    第4步需要将NAND_ADDR[25]放到I/O上;

    因此，整个地址传递过程需要4步才能完成，即4-stepaddressing。

    如果NANDFlash的容量是256Mbit以下，那么，blockadress最高位只到bit24，因此寻址只需要3步。

NANDFlash的数据是以bit的方式保存在memorycell，一般来说，一个cell中只能存储一个bit。

这些cell以8个或者16个为单位，连成bitline，形成所谓的byte（x8）/word（x16），这就是NANDDevice的位宽。

这些Line会再组成Page.

（NandFlash有多种结构，下面内容针对三星的K9F1208U0M），每页528Byte，每32个page形成一个Block，Sizeof（block）=16kByte。

1block="16kbyte"，

512Mbit=64Mbyte，

Numberof（block）=40961block=32page，

1page=528byte=512byte（MainArea）+16byte（SpareArea）；

Nandflash以页为单位读写数据，而以块为单位擦除数据。

按照这样的组织方式可以形成所谓的三类地址：

--BlockAddress

--PageAddress

--ColumnAddress

对于NANDFlash来讲，地址和命令只能在I/O[7:

0]上传递，数据宽度是8位。

512byte需要9bit来表示，对于528byte系列的NAND，这512byte被分成1sthalf和2ndhalf,各自的访问由地址指针命令来选择，A[7:

0]就是所谓的columnaddress。

32个page需要5bit来表示，占用A[13:

9]，即该page在块内的相对地址。

Block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A[25:

14]，如果是1Gbit的528byte/page的NANDFlash，则blockaddress用A[26:

24]表示。

而pageaddress就是blcokaddress|pageaddressinblock

NANDFlash的地址表示为：

BlockAddress|PageAddressinblock|halfpagepointer|ColumnAddress

地址传送顺序是ColumnAddress，PageAddress，BlockAddress。

由于地址只能在I/O[7:

0]上传递，因此，必须采用移位的方式进行。

例如，对于512Mbitx8的NANDflash，地址范围是0~0x3FF_FFFF，只要是这个范围内的数值表示的地址都是有效的。

以NAND_ADDR为例：

第1步是传递columnaddress，就是NAND_ADDR[7:

0]，不需移位即可传递到I/O[7:

0]上，而halfpagepointer即bit8是由操作指令决定的，即指令决定在哪个halfpage上进行读写。

而真正的bit8的值是don'tcare的。

第2步就是将NAND_ADDR右移9位，将NAND_ADDR[16:

9]传到I/O[7:

0]上

第3步将NAND_ADDR[24:

17]放到I/O上

第4步需要将NAND_ADDR[25]放到I/O上

因此，整个地址传递过程需要4步才能完成，即4-stepaddressing。

如果NANDFlash的容量是256Mbit以下，那么，blockadress最高位只到bit24，因此寻址只需要3步。

下面，就x16的NANDflash器件稍微进行一下说明。

由于一个page的mainarea的容量为256word，仍相当于512byte。

但是，这个时候没有所谓的1sthalfpage和2ndhalfpage之分了，所以，bit8就变得没有意义了，也就是这个时候bit8完全不用管，地址传递仍然和x8器件相同。

除了，这一点之外，x16的NAND使用方法和x8的使用方法完全相同。

正如硬盘的盘片被分为磁道，每个磁道又分为若干扇区，一块nandflash也分为若干block，每个block分为如干page。

一般而言，block、page之间的关系随着芯片的不同而不同，典型的分配是这样的：

1block=32page

1page=512bytes（datafield）+16bytes（oob）

需要注意的是，对于flash的读写都是以一个page开始的，但是在读写之前必须进行flash的擦写，而擦写则是以一个block为单位的。

同时必须提醒的是，512bytes理论上被分为1sthalf和2sdhalf，每个half各占256个字节。

我们讨论的K9F1208U0B总共有4096个Blocks，故我们可以知道这块flash的容量为4096*（32*528）=69206016Bytes=66MB但事实上每个Page上的最后16Bytes是用于存贮检验码和其他信息用的，并不能存放实际的数据，所以实际上我们可以操作的芯片容量为4096*（32*512）=67108864Bytes=64MB由上图所示，1个Page总共由528Bytes组成，这528个字节按顺序由上而下以列为单位进行排列（1列代表一个Byte。

第0行为第0Byte，第1行为第1Byte，以此类推，每个行又由8个位组成，每个位表示1个Byte里面的1bit）。

这528Bytes按功能分为两大部分，分别是DataField和SpareField，其中SpareField占528Bytes里的16Bytes,这16Bytes是用于在读写操作的时候存放校验码用的，一般不用做普通数据的存储区，除去这16Bytes,剩下的512Bytes便是我们用于存放数据用的DataField，所以一个Page上虽然有528个Bytes，但我们只按512Bytes进行容量的计算。

读命令有两个，分别是Read1,Read2其中Read1用于读取DataField的数据，而Read2则是用于读取SpareField的数据。

对于NandFlash来说，读操作的最小操作单位为Page，也就是说当我们给定了读取的起始位置后，读操作将从该位置开始，连续读取到本Page的最后一个Byte为止（可以包括SpareField）

NandFlash的寻址

   NandFlash的地址寄存器把一个完整的NandFlash地址分解成ColumnAddress与PageAddress.进行寻址。

ColumnAddress:

列地址。

ColumnAddress其实就是指定Page上的某个Byte，指定这个Byte其实也就是指定此页的读写起始地址。

PaageAddress：

页地址。

由于页地址总是以512Bytes对齐的，所以它的低9位总是0。

确定读写操作是在Flash上的哪个页进行的。

Read1命令

当我们得到一个NandFlash地址src_addr时我们可以这样分解出ColumnAddress和PageAddress

column_addr=src_addr%512;              //columnaddress

page_address=（src_addr>>9）;               //pageaddress

也可以这么认为，一个NandFlash地址的A0~A7是它的column_addr，A9~A25是它的PageAddress。

（注意地址位A8并没有出现，也就是A8被忽略，在下面你将了解到这是什么原因）

Read1命令的操作分为4个Cycle，发送完读命令00h或01h（00h与01h的区别请见下文描述）之后将分4个Cycle发送参数，1st.Cycle是发送ColumnAddress。

2nd.Cycle,3rd.Cycle和4th.Cycle则是指定PageAddress（每次向地址寄存器发送的数据只能是8位，所以17位的PageAddress必须分成3次进行发送

Read1的命令里面出现了两个命令选项，分别是00h和01h。

这里出现了两个读命是否令你意识到什么呢？

是的，00h是用于读写1sthalf的命令，而01h是用于读取2ndhalf的命令。

现在我可以结合上图给你说明为什么K9F1208U0B的DataField被分为2个half了。

如上文我所提及的，Read1的1st.Cycle是发送ColumnAddress，假设我现在指定的ColumnAddress是0，那么读操作将从此页的第0号Byte开始一直读取到此页的最后一个Byte（包括SpareField），如果我指定的ColumnAddress是127，情况也与前面一样，但不知道你发现没有，用于传递ColumnAddress的数据线有8条（I/O0~I/O7，对应A0~A7，这也是A8为什么不出现在我们传递的地址位中），也就是说我们能够指定的ColumnAddress范围为0~255，但不要忘了，1个Page的DataField是由512个Byte组成的，假设现在我要指定读命令从第256个字节处开始读取此页，那将会发生什么情景？

我必须把ColumnAddress设置为256，但ColumnAddress最大只能是255，这就造成数据溢出。

。

。

正是因为这个原因我们才把DataField分为两个半区，当要读取的起始地址（ColumnAddress）在0~255内时我们用00h命令，当读取的起始地址是在256~511时，则使用01h命令.假设现在我要指定从第256个byte开始读取此页，那么我将这样发送命令串

column_addr=256;

NF_CMD=0x01;?

                        从2ndhalf开始读取

NF_ADDR=column_addr&0xff;               1stCycle

NF_ADDR=page_address&0xff;            2nd.Cycle

NF_ADDR=（page_address>>8）&0xff;      3rd.Cycle

NF_ADDR=（page_address>>16）&0xff;       4th.Cycle

其中NF_CMD和NF_ADDR分别是NandFlash的命令寄存器和地址寄存器的地址解引用，我一般这样定义它们，

#definerNFCMD     （*（volatileunsignedchar*）0x4e000004）     //NADDFlashcommand

#definerNFADDR     （*（volatileunsignedchar*）0x4e000008）     //NANDFlashaddress

事实上，当NF_CMD=0x01时，地址寄存器中的第8位（A8）将被设置为1（如上文分析，A8位不在我们传递的