NandFlash详述绝对经典.docx

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NandFlash详述绝对经典

在Flash之前，紫外线可擦除了。

NandFlash详述

i.硬件特性：

[Flash的硬件实现机制】

Flash全名叫做FlashMemory,属于非易失性存储设备（Non-volatileMemoryDevice）,与此相对应的是易失性存储设备（VolatileMemoryDevice）。

这类设备，除了Flash,还有其他比较常见的如硬盘，ROM等，

与此相对的，易失性就是断电了，数据就丢失了，比如大家常用的内存，不论是以前的SDRAM,DDRSDRAM,还是现在的DDR2,DDR3等，都是断电后，数据就没了。

Flash的内部存储是MOSFET,里面有个悬浮门（FloatingGate）,是真正存储数据的单元。

金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor

Field-EffectTransistor,MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管

（field-effecttransistor）oMOSFETI^其"通道"的极性不同，可分为n-type与p-type的MOSFET通常又称为NMOSFETPMOSFET其他简称尚包括NMOSFETPMOSFETnMOSFETpMOSFET。

（uv-erasable）的EPROM,就已经采用用FloatingGate存储数据这一技术

图1.典型的Flash内存单元的物理结构

数据在Flash内存单元中是的。

存储电荷的多少，取决于图中的外部门（externalgate）所被施加的电压，其控制了是向存储单元中冲入电荷还是使其释放电荷。

数据的表示，以所存储的电荷的电压是否超过一个特定的阈值Vth来表示。

【SLC和MLC的实现机制】

NandFlash按照内部存储数据单元的电压的不同层次，也就是单个内存单元中，是存储1位数据，还

是多位数据，可以分为SLC和MLC:

1.SLC,SingleLevelCell:

单个存储单元，只存储一位数据，表示成1或0.

就是上面介绍的，对于数据的表示，单个存储单元中内部所存储电荷的电压，和某个特定的阈值电压Vth,相比，如果大于此Vth值，就是表示1,反之，小于Vth,就表示0.

对于nandFlash的数据的写入1,就是控制ExternalGate去充电，使得存储的电荷够多，超过阈值Vth,就表示1了。

而对于写入0,就是将其放电，电荷减少到小于Vth,就表示0了。

关于为何NandFlash不能从0变成1,我的理解是，物理上来说，是可以实现每一位的，从0变成1的，但是实际上，对于实际的物理实现，出于效率的考虑，如果对于，每一个存储单元都能单独控制，即，0变成1就是，对每一个存储单元单独去充电，所需要的硬件实现就很复杂和昂贵，同时，所进行对块擦除的操作，也就无法实现之前的，一闪而过的速度了，也就失去了Flash的众多特性了。

//也就是放电的思路还是容易些。

1->0

2.MLC,MultiLevelCell:

与SLC相对应，就是单个存储单元，可以存储多个位，比如2位，4位等。

其实现机制，说起来比较

简单，就是，通过控制内部电荷的多少，分成多个阈值，通过控制里面的电荷多少，而达到我们所需要的存储成不同的数据。

比如，假设输入电压是Vin=4V（实际没有这样的电压，此处只是为了举例

方便），那么，可以设计出2的2次方=4个阈值，1/4的Vin=1V,2/4的Vin=2V,3/4的Vin=3V,Vin=4V,分别表示2位数据00,01,10,11,对于写入数据，就是充电，通过控制内部的电荷的多少，对应表示不同的数据。

对于读取，则是通过对应的内部的电流（与Vth成反比），然后通过一系列解码电路完成读取，解析出所存储的数据。

这些具体的物理实现，都是有足够精确的设备和技术，才能实现精确的数据写入和读出的。

单个存储单元可以存储2位数据的，称作2的2次方=4LevelCell,而不是2LevelCell；

同理，对于新出的单个存储单元可以存储4位数据的，称作2的4次方=16LevelCell。

【关于如何识别SLC还是MLC】

NandFlash设计中，有个命令叫做ReadID,读取ID,意思是读取芯片的ID,就像大家的身份证一样，这里读取的ID中，是：

读取好几个字节，一般最少是4个，新的芯片，支持5个甚至更多，从这些字节中，可以解析出很多相关的信息，比如：

此NandFlash内部是几个芯片（chip）所组成的，

每个chip包含了几片（Plane）,

每一片中的页大小，块大小，等等。

在这些信息中，其中有一个，就是识别此flash是SLC还是MLC。

下面这个就是最常见的NandFlash的datasheet中所规定的，第3个字节，3rdbyte,所表示的信息，其中就有SLC/MLC的识别信息：

Description

I/O7

I/O6

I/O5

I/O4

I/O3

I/O2

I/O1

I/O0

Internal

ChipNumber

1

2

4

8

00

01

10

11

CellType

2LevelCell

4LevelCell

8LevelCell

16LevelCell

00

01

10

11

Numberof

Simultaneously

ProgrammedPages

1

2

4

8

00

01

10

11

InterleaveProgram

Betweenmultiplechips

NotSupport

Support

0

1

CacheProgram

NotSupport

Support

0

1

表I.NandFlash第3个ID的含义

[NandFlash的物理存储单元的阵列组织结构】

Nandflash的内部组织结构，此处还是用图来解释，比较容易理解:

图2.NandFlash物理存储单元的阵列组织结构

Figure2.K9KSGD8U0AArrayOrganization

上图是K9K8G08U0A的datasheet中的描述简单解释就是：

1.一个nandflash由很多个块（Block）组成,

块的大小一般是

->128KB,

->256KB,

->512KB

止匕处是128KB。

2.每个块里面又包含了很多页（page）。

每个页的大小，

老的nandflash,页大小是256B,512B,

这类的nandflash被称作smallblock,。

地址周期只有4个。

对于现在常见的nandflash多数是2KB,

被称作bigblock,对应的发读写命令地址，一共5个周期（cycle）,

更新的nandflash是4KB,

块，也是NandFlash的擦除操作的基本/最小单位。

3.每一个页，对应还有一块区域，叫做空闲区域（sparearea/冗余区域（redundantare@,而Linux系统中，一般叫做OOB（OutOfBand）,这个区域，是最初基于NandFlash的硬件特性：

数据在读写时候相对容易错误，所以为了保证数据的正确性，必须要有对应的检测和纠错机制，此机制被叫做

EDC（ErrorDetectionCode）/ECC（ErrorCodeCorrection,或者ErrorCheckingandCorrecting）,所以设计了多余的区域，用于放置数据的校验值。

页，是NandFlash的写入操作的基本/最小的单位。

【NandFlash数据存储单元的整体架构】

简单说就是，常见的nandflash,内部只有一个chip,每个chip只有一个plane。

而有些复杂的，容量更大的nandflash,内部有多个chip,每个chip有多个plane。

这类的nandflash,往往也有更加高级的功能，比如下面要介绍的MultiPlaneProgram和InterleavePageProgram1^。

比如，型号为K9K8G08U0A这个芯片（chip）,内部有：

K9F4G08U0A（256MB）:

Plane（1Gb）,Plane（1Gb）

K9F4G08U0A（256MB）:

Plane（1Gb）,Plane（1Gb）

K9WAG08U1A,内部包含了2个K9K8G08U0A

K9NBG08U5A,内部包含了4个K9K8G08U0A

【Flash名称的由来】

Flash的擦除操作是以block块为单位的，与此相对应的是其他很多存储设备，是以bit位为最小读取/

写入的单位，Flash是一次性地擦除整个块：

在发送一个擦除命令后，一次性地将一个block,常见的

块的大小是128KB/256KB。

。

，全部擦除为1,也就是里面的内容全部都是0xFF了，由于是一下子就擦除了，相对来说，擦除用的时间很短，可以用一闪而过来形容，所以，叫做FlashMemoryo中文有的翻译为（快速）闪存。

【Flash相对于普通设备的特殊性】

1.上面提到过的，Flash最小操作单位，有些特殊。

一般设备，比如硬盘/内存，读取和写入都是以bit位为单位，读取一个bit的值，将某个值写入对应的地址的位，都是可以按位操作的。

但是Flash由于物理特性，使得内部存储的数据，只能从1变成0,这点，可以从前面的内部实现机制了解到，只是方便统一充电，不方便单独的存储单元去放电，所以才说，只能从1变成0,也就是

释放电荷。

所以，总结一下Flash的特殊性如下：

普通设备（硬盘/内存等）

Flash

读取/写入的叫法

读取/写入

读取/编程（Programed）

读取/写入的最小单位

Bit/位

PageM

擦除（Erase臊作的最

小单位

Bit/位

Block/块②

擦除操作的含义

将数据删除/全部

写入0

将整个块都擦除成全是1,也就是里面的数据

都是0xFF③

对于写操作

直接写即可

在写数据之前，要先擦除，然后再写

表2.Flash和普通设备相比所具有的特殊性

注：

①之所以将写操作叫做编程，是因为，flash和之前的EPROM,EEPROM继承发展而来，而之前的

EEPROM（ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory）,往里面写入数据，就叫做编程

Program,之所以这么称呼，是因为其对数据的写入，是需要用电去擦除/写入的，就叫做编程。

②对于目前常见的页大小是2K/4K的NandFlash,其块的大小有128KB/256KB/512KB等。

而对于NorFlash,常见的块大小有64K/32K等。

③在写数据之前，要先擦除，内部就都变成0xFF了，然后才能写入数据，也就是将对应位由1变成

0。

[NandFlash引脚（Pin）的说明】

PinName

PinFuncikm

i/Oti-1/07

DAIAITJPUT^OUTPUTS

TrieI/Opin旧areusedtoin口u：

corrnnand,addressandd&La,andtooutputcIuh凶raadoperatsinE.TheL

0pmsfloattohigh-ziwtienthechip的deselectedorirvtientheoulputsaredisabled.

CLE

COMMAHDLATCHENABLE

IifieCLEenputcontrolstheactivcitingpath,fwtomnMfidssenttotriecommandregister.Whenac^ehi^i,ccoinnandsarehatchedintothecomniandresisterUbtjughtheI/Openson±ierisingedgeofIhe&Esignal.

AL£

ADDRESSUVTCHENABLE

TheALEinputcontnolstheacti^atiingpathforaddresstoizheinternaladdressregistersAddresEiesarelatchedontherisingetigeMWE却由ALE用好

C&/CE1

CHIPEMABLE

TheC£1C&1input片ttiedeuieeselectioneonmE'MienthedeviceieinlieBusyEta凤Ct/CE1kiiqh13ignored,antidevicedoesixrt「etuntostarxfciymodeinp（rog.r?

moreraseoperatiofi

R*egar

CE2

CHIPEHABLE

TTi号C=input/g；酊触3打。

MK9K2口SUM

RE

REAPEK^&LE

■WeREinput恰由q卞/[data-outccrrtroi.andwhen毗廿*噂driventheontotheUQDau得▼Hid

tREA^fcerthefallingedgeofREwhich除0irrereri^ntsthein忸e」IslumnaJdr-east&unisrbyocie

WE

W同庄ENABLE

^eWEinputmntnoiswritest&UOport.Cowi3nd&,aoire^sanflart⑻小EontMrisingedgeof

theAEpciIe*.

布

WRITEPROTECT

TtieTVPpinprovidesinadvertenLprogram/erasepmtectkmduringpoweriransrtjons.Theintemaihighvott-agegeneratw梏rew!

whentheHPpinisrelivelow.

fws/fVbi

READWU5Y0UTPIH

TheR/B；Rj'SIoutputindicatesstainsdeviceoperation.low,rtindicalASthataprogram.

■eraie6rrandftm旭白de拈mfsrotessarid裙tutn号伯M^hstateuponbMYp随射白乩H性inopsridrjmoutputanddoeaiwtHostiohl^fi-2conditionwhenthe由ipi&deselectadorwtienoutputs白旭dieabted.

Vcc

POWER

Vocie（hepowersupplyft）rdevic*.

Vss

GROUND

N.C

HOCONHECTIOH

Leadisnoimtanallvitwinected.

图3.NandFlash引脚功能说明

上图是常见的NandFlash所拥有的引脚（Pin）所对应的功能，简单翻译如下：

1.I/O0〜I/O7:

用于输入地址/数据/命令，输出数据

2.CLE：

CommandLatchEnable,命令锁存使能，在输入命令之前，要先在模式寄存器中，设置CLE使能

3.ALE:

AddressLatchEnable,地址锁存使能，在输入地址之前，要先在模式寄存器中，设置ALE使能

4.CE#：

ChipEnable,芯片使能，在操作NandFlash之前，要先选中此芯片，才能操作

5.RE#：

ReadEnable,读使能，在读取数据之前，要先使CE#有效。

6.WE#：

WriteEnable,写使能在写取数据之前，要先使WE#有效。

7.WP#：

WriteProtect,写保护

8.R/B#:

Ready/BusyOutput,就绪/忙,主要用于在发送完编程/擦除命令后，检测这些操彳^是否完成，忙，表示编程/擦除操作仍在进行中，就绪表示操作完成.

9.Vcc:

Power,电源

10.Vss：

Ground,接地

11.N.C：

Non-Connection,未定义，未连接。

[小常识]

在数据手册中，你常会看到，对于一个引脚定义，有些字母上面带一横杠的，那是说明此引脚/信号

是低电平有效，比如你上面看到的RE头上有个横线，就是说明，此RE是低电平有效，此外，为了

书写方便，在字母后面加“#"，也是表示低电平有效，比如我上面写的CE#;如果字母头上啥都

没有，就是默认的高电平有效，比如上面的CLE,就是高电平有效。

【为何需要ALE和CLE】

突然想明白了，NandFlash中，为何设计这么多的命令，把整个系统搞这么复杂的原因了：

比如命令锁存使能（CommandLatchEnable,CLE）和地址锁存使能（AddressLatchEnable,ALE）,那是因为，NandFlash就8个I/O,而且是复用的，也就是，可以传数据，也可以传地址，也可以传命令，为了区分你当前传入的到底是啥，所以，先要用发一个CLE（或ALE）命令，告诉nandFlash的控制器一声，我下面要传的是命令（或地址），这样，里面才能根据传入的内容，进行对应的动作。

否则,nandflash内部，怎么知道你传入的是数据，还是地址，还是命令啊，也就无法实现正确的操作了.

12.ndFlash只有8个I/O引脚的好处】

1.减少外围引脚：

相对于并口（Parellel）的NorFlash的48或52个引脚来说，的确是大大减小了引脚数目，这样封装后的芯片体积，就小很多。

现在芯片在向体积更小，功能更强，功耗更低发展，减小芯片体积，就是很大的优势。

同时，减少芯片接口，也意味着使用此芯片的相关的外围电路会更简化，避免了繁琐的硬件连线。

2.提高系统的可扩展性，因为没有像其他设备一样用物理大小对应的完全数目的addr弓I脚，在芯片

内部换了芯片的大小等的改动，对于用全部的地址addr的引脚，那么就会引起这些引脚数目的增加，比如容量扩大一倍，地址空间/寻址空间扩大一倍，所以，地址线数目/addr引脚数目，就要多加一个，而对于统一用8个I/O的引脚的NandFlash,由于对外提供的都是统一的8个引脚，内部的芯片大小的变化或者其他的变化，对于外部使用者（比如编写nandflash驱动的人）来说，不需要关心，只是保

证新的芯片，还是遵循同样的接口，同样的时序，同样的命令，就可以了。

这样就提高了系统的扩展性。

[Nandflash的一些典型（typical）特性】

1.页擦除时间是200us,有些慢的有800us。

2.块擦除时间是1.5ms.

3.页数据读取到数据寄存器的时间一般是20us。

4.串行访问（Serialaccess）读取一个数据的时间是25ns,而一些旧的nandflash是30ns,甚至是50ns。

5.输入输出端口是地址和数据以及命令一起multiplex复用的。

以前老的NandFlash,编程/擦除时间比较短，比如K9G8G08UQMtt5K次，而后来很多6.nandflash

的编程/擦除的寿命，最多允许的次数，以前的nandflash多数是10K次，也就是1万次，而现在很多新的nandflash，技术提高了，比如，Micron的MT29F1GxxABBNumonyx勺NAND04G-B2D/NAND08G-BxC都可以达到100K,也就是10万次的编程/擦除。

和之前常见的NorFlash达到同样的使用寿命了。

6.48引脚的TSOP隹寸装或52弓|脚的ULGA寸装

[NandFlash中的特殊硬件结构】

由于nandflash相对其他常见设备来说，比较特殊，所以，特殊的设备，也有特殊的设计，所以，有些特殊的硬件特性，就有比较解释一下：

1.页寄存器（PageRegister）:

由于NandFlash读取和编程操作来说，一般最小单位是页，所以，nandflash在硬件设计时候，就考虑到这一特性，对于每一片，都有一个对应的区域，专门用于存放，将要写入到物理存储单元中去的或者刚从存储单元中读取出来的，一页的数据，这个数据缓存区，

本质上就是一个buffer,但是只是名字叫法不同，datasheet里面叫做PageRegister,此处翻译为页寄存器，实际理解为页缓存，更为恰当些。

注意：

只有写到了这个页缓存中，只有等你发了对应的编程第二阶段的确认

命令0x10之后，实际的编程动作才开始，才开始把页缓存中的数据，一点点

写到物理存储单元中去。

所以，简单总结一下就是，对于数据的流向，实际是经过了如下步骤：

图4NandFlash读写时的数据流向

[NandFlash中的坏块（BadBlock）】

NandFlash中，一个块中含有1个或多个位是坏的，就成为其为坏块。

坏块的稳定性是无法保证的，也就是说，不能保证你写入的数据是对的，或者写入对了，读出来也不一定对的。

而正常的块，肯定是写入读出都是正常的。

坏块有两种：

（1）一种是出厂的时候，也就是，你买到的新的，还没用过的NandFlash,就可以包含了坏块。

此

类出厂时就有的坏块，被称作factory（masked）badblock或initialbad/invalidblock,在出厂之前，就会做对应的标记，标为坏块。

具体标记的地方是，对于现在常见的页大小为2K的NandFlash,是块中第一个页的00b起始位置（关于什么是页和oob,下面会有详细解释）的第1个字节（旧的小页面，pagesize是512B甚至256B的nandflash,坏块标记是第6个字节），如果不是0xFF,就说明是坏块。

相对应的是，所有正常的块，好的块，里面所有数据都是0xFF的。

（2）第二类叫做在使用过程中产生的，由于使用过程时间长了，在擦块除的时候，出错了，说明此块坏了，也要在程序运行过程中，发现，并且标记成坏块的。

具体标记的位置，和上面一样。

这类块叫