Nand Flash和Nor Flash存储器简介及其区别

Flash是存储芯片的一种，在电子及半导体领域内表示为Flsah Memory，全称为Flash EEPROM Memeory，即我们平时说的“闪存”。它结合了ROM和RAM的优点，具备电子可擦除可编程（EEPROM）的性能，能够在操作中被多次擦或写，还可以快速的读取数据（NVRAM的优点），使数据不会在断电时丢失。

Flash闪存是一种非易失性存储，在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘。近年来，随着大数据、人工智能、物联网等新兴技术的发展，闪存技术的特性使其相对于许多计算机技术而言发展得更迅猛。

Flash按照内部存储结构的不同，可以分为两种：Nor Flash和Nand Flash。Nor Flash，通常容量较小，主要用于存储代码；Nand Flash，容量较大，主要用于存储资料，如数码相机中所用的记忆卡。

简单来说，可概括为一张图描述，“太长不看版”可参照下图：

具体来说，这两种存储器有何区别呢？本文将阐述。

Nand Flash和Nor Flash存储器简介

1、Nand Flash存储器简介

NAND Flash是由东芝公司于1989年发布的，内部采用线性宏单元模式，一个块通常包括32页，64页，128页，页大小通常为512B，2KB，4KB，每个页包含数据区和带外区两部分，数据区存储用户数据，带外区存储ECC(erro rcorrecting codes)，地址映射信息等用于Flash存储管理的信息,，对应的大小通常为512B，32B，2KB，64B , 4KB，128B。Nand Flash强调降低每比特的成本，更高的性能，并且像磁盘一样可以通过接口轻松升级。Nand Flash没有采取内存的随机读取技术，它的读取是以一次读取一块的形式来进行的，通常是一次读取512个字节，同时内部采用非线性宏单元模式，为固态大容量内存的实现提供了廉价有效的解决方案。

NAND技术的Flash Memory的特点：

1）NAND FLASH以页为单位进行读和编程操作，1页为256B或512B，因此NAND FLASH不用来直接运行程序，需将代码下载到RAM中再运行。NAND FLASH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，块擦除时间是2ms，而NOR技术的块擦除时间是几百ms。

2）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。

3）芯片尺寸小，成本低

4）芯片包含失效块，其最大数目可达到3~35块取决于存储器密度。失效块不会影响有效块的性能。设计者需要将失效块在地址映射表中屏蔽起来。

从存储单元的角度考虑，NAND FLASH可分为SLC（Single Level Cell，单层单元）和MLC（Multi-Level Cell，多层单元）。SLC的特点是成本高、容量小、速度快，而MLC的特点是容量大、成本低，但是速度慢。MLC由于存储单元中存放资料较多，结构相对复杂，出错的概率增加，必须进行错误修正，这个修正的动作使得MLC的性能大幅落后于SLC闪存。实际使用时，需要根据程序运行的机制及需求选择合适的Flash存储。Nand flash存储器具有容量较大，改写速度快等优点，适用于大量数据的存储，因而应用越来越广泛，如嵌入式产品中包括手机、数码相机、U盘等。

2、Nor Flash存储器简介

NOR Flash是一种由Intel公司于1988年创建的非易失闪存技术。NOR技术（也称Linear技术）源于传统的EEPROM器件，Nor Flash的特点是芯片内执行（XIP, eXecute In Place），其读取和我们常见的SDRAM的随机读取形式类似，它将存储单元组织为块序列，能够以字节为单位进行数据访问，以并行的方式连接存储单元，具有分离的控制线、地址线和数据线，具有较快的读速度，用户可以直接运行装载在 Nor Flash 里面的代码，这样可以减少SRAM的容量从而节约成本，且其传输效率很高，在1-4MB的小容量时具有很高的成本效益，所以一般小容量的存储都选用NOR Flash会更为合适。但由于其写操作和擦除操作的时间较长，容量低，价格高，所以目前多用于手机、BIOS芯片以及嵌入式系统中页进行代码存储。

NOR技术的Flash Memory具有以下特点。

1）程序和数据可存放在同一芯片，拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取，允许系统直接从Flash中读取代码执行，无须先将代码下载至RAM中再执行。

2）可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以块为单位或整片擦除，由于采用NOR技术的Flash Memory擦除和编程速度较慢，在纯数据存储和文件存储的应用中，NOR技术显得力不从心。

Nand Flash和Nor Flash的区别

1、启动方式不同

开发板上电启动时，Nand Flash会先把Nand Flash中前4K内容自动拷贝到片内内存（SRAM）中去，然后CPU从SRAM的0地址开始执行程序。用户不能直接运行Nand Flash上的代码，因此多数使用Nand Flash的开发板除了使用Nand Flash以外，还用上了一块小的Nor Flash来运行启动代码。

Nor Flash在启动时直接从0地址开始运行，CPU从Nor Flash的0地址开始执行程序。

2、接口差别

Nand Flash是I/O串行接口，通过8个引脚用来传送控制、地址和数据信息，各个产品或厂商的方法可能各不相同。读和写操作采用512字节的块，这一点有点像硬盘管理此类操作，所以基于NAND的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。

Nor Flash带有SRAM接口，可以轻松地挂接在CPU的地址、数据总线上，对CPU的接口要求低；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。但不同容量的NorFlash的地址线需求不一样，Nor Flash芯片容量升级不便。

3、Nand Flash和Nor Flash的性能比较

Nand Flash和Nor Flash均为非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数写入操作需要先进行擦除操作。但在性能上有以下差别：

1）读取数据时，Nand Flash 首先需要进行多次地址寻址，然后才能访问数据；而 Nor Flash是直接进行数据读取访问，因此NOR的读速度比NAND稍快一些。

2）NAND器件执行擦除操作简单，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。同时，NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少，因此NAND的擦除速度远比NOR的快很多。

3）NAND写入单元小，写入速度比NOR快很多。

4、容量和成本对比

Nand Flash的单元尺寸几乎是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，因此相同容量下，NAND器件的成本比NOR低。

5、能耗不同

NOR闪存在初始上电期间通常需要比NAND闪存更多的电流。但是，Nor Flash的待机电流远低于Nand Flash。两者的瞬时有功功率相当，因此，有效功率由存储器活动的持续时间决定。Nor Flash在随机读取方面具有优势，而Nand Flash在擦除、写入和顺序读取操作中消耗的功率相对较低。

6、Nand Flash和Nor Flash的寿命(耐用性)

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，nand器件的耐用性强于nor。

7、可靠性对比

在Flash的位翻转（一个bit位发生翻转）现象上，NAND的出现几率要比Nor Flash大得多。这个问题在Flash存储关键文件时是致命的，所以在使用Nand Flash时建议同时使用EDC/ECC等校验算法，提高可靠性。

NAND器件中的坏块是随机分布的，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。在已制成的器件中，如果通过可靠的方法不能进行这项处理，将导致高故障率。而坏块问题在Nor Flash上是不存在的。

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(MTD)，NAND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。

9、其他作用

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。

什么是SPI NAND FLASH

在嵌入式系统领域，作为存储设备的NOR Flash和NAND Flash，大家应该不陌生。早期NOR Flash的接口是并行口的形式，也就是把数据线，地址线并排设置在IC的管脚中。但是由于不同容量的并行口NOR Flash不能硬件上兼容（数据线和地址线的数量不一样）,并且封装大，占用PCB板的位置较大，逐渐被SPI（串行接口）的 NOR Flash所取代。

SPI NOR Flash可以做到不同容量的 NOR Flash管脚兼容，且采用了更小的封装形式（SOP8较为典型），很快取代了并行接口的NOR Flash成为市场主流。以至于现在很多人说起NOR Flash都直接以SPI Flash来代称。

而NAND Flash由于采用了地址数据线复用的方式，并且统一了接口标准规定（x 8 bit or x 16 bit），从而在不同容量的兼容性上面基本没有问题，所以这类封装及接口形式沿用了很多年。近些年随着产品小型化的需求越来越强烈，并且对方案成本的要求越来越高，SPI NAND Flash逐渐出圈。

SPI NAND Flash方案的主控（MCU）内可以不需要带有传统NAND的控制器，只需要有SPI的接口，再加入内置ECC，这样可以减少主控的成本，以及省掉MCU做为硬件或软件ECC的功能。

另外，SPI NAND Flash的封装形式多采用 WSON、TFBGA等封装，尺寸比传统的NAND Flash TSOP的封装要小很多，充分节省了PCB板的空间，较少的管脚数量，从而可以减小PCB的尺寸及层数，既满足了市场小型化的需求也降低了产品的成本。

1、SPI NAND Flash和SPI NOR Flash区别

SPI NAND Flash和SPI NOR Flash可以统称为SPI Flash，即一种使用SPI通信的Flash，不同之处在于NAND和NOR的本质区别。

通俗来讲，NOR Flash像内存，通常用于存储程序代码并直接在闪存内运行，NAND Flash是闪存，相较于市面上手机、PC等主流的嵌入式eMMC、SSD采用的TLC，SLC在可靠性和寿命方面优势突出，但容量较小。SLC NAND基于串行SPI接口，引脚少、封装尺寸小，在嵌入式系统领域需求不断增加。

2、SPI NAND Flash应用领域

如今各类电子设备的功能日趋复杂，在新兴的紧凑型应用中都需要安装嵌入式操作系统，对存储容量的需求在不断提升。NAND比NOR有更快的写入速度，且对于频繁擦写有着更高的稳定性，目前SPI NAND Flash在智能穿戴、机顶盒、路由器、PON、网通模块、物联网、汽车等领域逐步普及。

市场应用

1、Nand Flash市场应用

从应用形态上看，Nand Flash的具体产品包括USB（U盘）、闪存卡、SSD（固态硬盘），以及嵌入式存储（eMMC、eMCP、UFS）等。USB属于常见的移动存储设备，闪存卡则用于常见电子设备的外设存储，如相机、行车记录仪、玩具等。

SSD即常见的固态硬盘，一般应用于个人计算机、服务器等领域。SSD作为新兴的大容量存储设备，具有磁盘（传统HDD硬盘）所不具备的优点，前些年由于SSD高昂的价格，只攻占了磁盘的少部分领域。由于近年SSD价格下降，以及数据中心的迅速扩张，数据存储的需求也在不断上升，因此由SSD驱动的Nand Flash的需求增速也较为迅速。

嵌入式存储是Nand Flash应用的另一大领域。其特征是将Nand Flash存储芯片与控制芯片封装在一起，控制芯片采用特定的通讯协议，可提升存储数据通讯的速度与稳定性。

嵌入式Nand Flash存储广泛应用于手机、平板电脑、游戏机、车载电子等需求高容量存储的新兴领域，该手机主板采用的是eMMC。与计算机相同，手机同样需要处理器、DRAM和Nand Flash，区别在于其产品的最终形态不同，计算机内部的形态为CPU+内存条+硬盘，而手机则采用eMMC或eMCP两种形式：“处理器+eMCP”或“集成了LPDDR的处理器+eMMC”。

2、Nor Flash市场应用

嵌入式存储是Nor Flash的主要应用领域，基于其读写速度快、可靠性高、成本高、可芯片内执行程序的特点，多用来存储少量代码、程序、操作系统等重要信息。

近几年，Nor Flash市场飞速增长，该增速主要得益于汽车电子和物联网、5G和智能手机及其周边（如TWS耳机和可穿戴式设备）等需求的推动。

随着智能产品需要实现的功能越来越多，为了存储更多固件和代码程序，则选择通过外扩一颗甚至更多的Nor Flash来实现。

应用场景有：

1）智能手机及周边设备：OLED屏是有机屏幕，它内部需要一个补偿算法，该算法存储在Flash里面；另外还有TDDI屏以及屏下指纹的模组，它们都需要一个Flash来存储驱动和算法。

2）物联网：伴随着5G基站的高密度布局，万物互联时代的数据流源源不断，人与人之间、人与设备之间、人与云端服务器之间、设备与设备之间的各种数据交互都会产生海量的IoT节点，且这些节点对应的设备都会用到Nor Flash。比如，当前最流行的TWS耳机需要内置两颗Nor Flash。

3）车载：小到车载摄像头，大到高级驾驶辅助系统（ADAS），车用子系统由于程序代码量较大则会采用外部Nor Flash芯片，汽车仪表盘是通过Nor Flash来实现快速启动的。

4）工业领域：例如新标准智能电表为延长数据量存储期限，使用Nor Flash替代铁电存储。

5）5G、通讯设备：5G基站、微基站催生出了各种各样的节点设备，5G 还加速推动了工业物联网、车联网、自动驾驶、边缘计算的发展，这些应用都离不开Nor Flash。

为电子产品选择合适的存储器类型颇具挑战性。选择适合应用的存储器时，工程师可以参考以下“技巧与诀窍”：

明确存储器工作条件，例如：

预期擦/写次数；

温度、振动和辐射等环境条件和因素；

数据加载要求；

记录应用中存储器正常工作的最小比特率、所需比特率和最大比特率；

选择最接近记录中所需比特率的存储器接口类型；

对于汽车或航天系统等恶劣环境条件，须选择通过汽车级鉴定或辐射耐受性较强的存储器；

使用分线板将所选存储器件连接至微控制器开发套件以测试其性能。

如今，可供工程师选择的非易失性存储器件种类繁多，可用于存储各种数据，从应用代码到配置信息，不一而足。如上所述，工程师需仔细评估应用需求，慎重选型Flash型号，以期取得这些需求与成本之间的平衡。

　　审核编辑：汤梓红