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NAND Flash非易失闪存技术系统设计
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2017-10-19
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引言
NOR Flash和NAND Flash是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。Flash因为具有非易失性及可擦除性，在数码相机、手机、个人数字助理（ PDA）、掌上电脑、MP3播放器等手持设备中得到广泛的应用。NAND Flash相对于NOR Flash具有更小的体积、更快的写入速度、更多次的可擦除次数以及更低廉的价格而得到了迅速发展。大容量的NAND Flash特别适合现在数码设备中大数据量的存储携带，可以降低成本，提高性能［1］。
1 系统设计
1.1 NAND Flash和NOR Flash的区别
1.1.1 接口差别
NOR Flash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以直接和CPU相连，CPU可以直接通过地址总线对NOR Flash进行访问，可以很容易地存取其内部的每一个字节。
NAND Flash器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，只能通过I/O接口发送命令和地址，对NAND Flash内部数据进行访问。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 Flash读/写操作采用512或2 048字节的页。
NOR Flash是并行访问，NAND Flash是串行访问，所以相对来说，前者的速度更快些。
1.1.2 容量和成本
NOR Flash的成本相对高，容量相对小，常见的有128 KB、256 KB、1 MB、2 MB等；优点是读写数据时，不容易出错。所以在应用领域方面，NOR Flash比较适合应用于存储少量的代码。
NAND Flash的单元尺寸几乎是NOR Flash器件的一半，由于生产过程更为简单，也就相应地降低了价格。容量比较大，由于价格便宜，更适合存储大量的数据。
1.1.3 可靠性和耐用性
采用Flash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（耐用性）、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR Flash和NAND Flash的可靠性。寿命（耐用性）在NAND Flash闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而NOR Flash的擦写次数是十万次。NAND Flash除了具有10∶1的块擦除周期优势，典型的NAND Flash块尺寸要比NOR器件小8倍，每个NAND Flash块在给定的时间内的删除次数要少一些。
1.1.4 位反转
NAND Flash和NOR Flash都可能发生比特位反转（但NAND Flash反转的几率远大于NOR Flash），因此这两者都必须进行ECC操作；NAND Flash可能会有坏块（出厂时厂家会对坏块做标记），在使用过程中也还有可能会出现新的坏块，因此NAND Flash驱动必须对坏块进行管理。
位反转对于用NAND Flash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。坏块处理NAND Flash器件中的坏块是随机分布的。NAND Flash器件需要对介质进行初始化扫描来发现坏块，并将坏块标记为不可用。
1.1.5 易于使用
NAND Flash不能在片内运行程序，而NOR Flash可以。但目前很多CPU都可以在上电时以硬件的方式先将NAND Flash的第一个Block中的内容（一般是程序代码，也许不足一个Block，如2 KB大小）自动拷贝到RAM中，然后再运行。因此，只要CPU支持，NAND Flash也可以当成启动设备。由于需要I/O接口，NAND Flash要复杂得多。各种NAND Flash器件的存取方法因厂家而异。在使用NAND Flash器件时，必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操作。
1.2 NAND Flash的存储结构
大多数的NAND Flash都大同小异，所不同的只是该NAND Flash芯片的容量大小和读写速度等基本特性。
块Block是NAND Flash的擦除操作的基本/最小单位。页是读写操作的基本单位。
每一个页，对应还有一块区域，叫做空闲区域/冗余区域，而在Linux系统中，一般叫做OOB（Out Of Band）［2］。这个区域最初基于NAND Flash的硬件特性，数据在读写时候相对容易出错，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（Error Detection Code）/ECC（Error Code Correction）。所以设计了多余的区域，用于放置数据的校验值。OOB的读写操作一般是随着页的操作一起完成的，即读写页的时候，对应地就读写了OOB。OOB的主要用途： 标记是否是坏块，存储ECC数据，存储一些和文件系统相关的数据。
1.3 NAND Flash的接口控制设计
系统中选用的NAND Flash为海力士半导体公司（Hynix）的H27U1G8F2B［3］，它是一个1 GB的内存，每页的大小为2 112字节（2048＋64备用），每个块的大小为128K+4K备用字节。H27U1G8F2B的8个I/O引脚是地址复用的，这样可以减少引脚数，并方便系统升级，闪存的电源为33 V。NAND Flash H27U1G8F2B的接口控制电路如图1所示。
图1 NAND Flash控制电路
由于NAND Flash只有8个I/O引脚，而且是复用的，既可以传数据，也可以传地址、命令。设计命令锁存使能（Command Latch Enable， CLE） 和 地址锁存使能（Address Latch Enable，ALE），就是先要发一个CLE（或ALE）命令，告诉NAND Flash的控制器一声，下面要传的是命令（或地址）。这样，NAND Flash内部才能根据传入的内容，进行对应的动作。相对于并口的NOR Flash的48或52个引脚来说，大大减小了引脚数目，这样封装后的芯片体积小。同时，减少了芯片接口，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。
NOR Flash和NAND Flash是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。Flash因为具有非易失性及可擦除性，在数码相机、手机、个人数字助理（ PDA）、掌上电脑、MP3播放器等手持设备中得到广泛的应用。NAND Flash相对于NOR Flash具有更小的体积、更快的写入速度、更多次的可擦除次数以及更低廉的价格而得到了迅速发展。大容量的NAND Flash特别适合现在数码设备中大数据量的存储携带，可以降低成本，提高性能［1］。
1 系统设计
1.1 NAND Flash和NOR Flash的区别
1.1.1 接口差别
NOR Flash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以直接和CPU相连，CPU可以直接通过地址总线对NOR Flash进行访问，可以很容易地存取其内部的每一个字节。
NAND Flash器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，只能通过I/O接口发送命令和地址，对NAND Flash内部数据进行访问。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 Flash读/写操作采用512或2 048字节的页。
NOR Flash是并行访问，NAND Flash是串行访问，所以相对来说，前者的速度更快些。
1.1.2 容量和成本
NOR Flash的成本相对高，容量相对小，常见的有128 KB、256 KB、1 MB、2 MB等；优点是读写数据时，不容易出错。所以在应用领域方面，NOR Flash比较适合应用于存储少量的代码。
NAND Flash的单元尺寸几乎是NOR Flash器件的一半，由于生产过程更为简单，也就相应地降低了价格。容量比较大，由于价格便宜，更适合存储大量的数据。
1.1.3 可靠性和耐用性
采用Flash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（耐用性）、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR Flash和NAND Flash的可靠性。寿命（耐用性）在NAND Flash闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而NOR Flash的擦写次数是十万次。NAND Flash除了具有10∶1的块擦除周期优势，典型的NAND Flash块尺寸要比NOR器件小8倍，每个NAND Flash块在给定的时间内的删除次数要少一些。
1.1.4 位反转
NAND Flash和NOR Flash都可能发生比特位反转（但NAND Flash反转的几率远大于NOR Flash），因此这两者都必须进行ECC操作；NAND Flash可能会有坏块（出厂时厂家会对坏块做标记），在使用过程中也还有可能会出现新的坏块，因此NAND Flash驱动必须对坏块进行管理。
位反转对于用NAND Flash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。坏块处理NAND Flash器件中的坏块是随机分布的。NAND Flash器件需要对介质进行初始化扫描来发现坏块，并将坏块标记为不可用。
1.1.5 易于使用
NAND Flash不能在片内运行程序，而NOR Flash可以。但目前很多CPU都可以在上电时以硬件的方式先将NAND Flash的第一个Block中的内容（一般是程序代码，也许不足一个Block，如2 KB大小）自动拷贝到RAM中，然后再运行。因此，只要CPU支持，NAND Flash也可以当成启动设备。由于需要I/O接口，NAND Flash要复杂得多。各种NAND Flash器件的存取方法因厂家而异。在使用NAND Flash器件时，必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操作。
1.2 NAND Flash的存储结构
大多数的NAND Flash都大同小异，所不同的只是该NAND Flash芯片的容量大小和读写速度等基本特性。
块Block是NAND Flash的擦除操作的基本/最小单位。页是读写操作的基本单位。
每一个页，对应还有一块区域，叫做空闲区域/冗余区域，而在Linux系统中，一般叫做OOB（Out Of Band）［2］。这个区域最初基于NAND Flash的硬件特性，数据在读写时候相对容易出错，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（Error Detection Code）/ECC（Error Code Correction）。所以设计了多余的区域，用于放置数据的校验值。OOB的读写操作一般是随着页的操作一起完成的，即读写页的时候，对应地就读写了OOB。OOB的主要用途： 标记是否是坏块，存储ECC数据，存储一些和文件系统相关的数据。
1.3 NAND Flash的接口控制设计
系统中选用的NAND Flash为海力士半导体公司（Hynix）的H27U1G8F2B［3］，它是一个1 GB的内存，每页的大小为2 112字节（2048＋64备用），每个块的大小为128K+4K备用字节。H27U1G8F2B的8个I/O引脚是地址复用的，这样可以减少引脚数，并方便系统升级，闪存的电源为33 V。NAND Flash H27U1G8F2B的接口控制电路如图1所示。
图1 NAND Flash控制电路
由于NAND Flash只有8个I/O引脚，而且是复用的，既可以传数据，也可以传地址、命令。设计命令锁存使能（Command Latch Enable， CLE） 和 地址锁存使能（Address Latch Enable，ALE），就是先要发一个CLE（或ALE）命令，告诉NAND Flash的控制器一声，下面要传的是命令（或地址）。这样，NAND Flash内部才能根据传入的内容，进行对应的动作。相对于并口的NOR Flash的48或52个引脚来说，大大减小了引脚数目，这样封装后的芯片体积小。同时，减少了芯片接口，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。
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