Nand Flash详述绝对经典文档格式.docx

1、/ 也就是放电的思路还是容易些。1-2.MLC，Multi Level Cell：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Vin4V（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Vin1V，2/4的Vin2V，3/4的Vin3V，Vin4V，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，则是通过对应的部的

2、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4 Level Cell，而不是2 Level Cell；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16 Level Cell。【关于如何识别SLC还是MLC】Nand Flash设计中，有个命令叫做Read ID，读取ID，意思是读取芯片的ID，就像大家的一样，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

3、的信息，比如：此Nand Flash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Nand Flash的datasheet中所规定的，第3个字节，3rd byte，所表示的信息，其中就有SLC/MLC的识别信息：DescriptionI/O7I/O6I/O5 I/O4I/O3 I/O2I/O1 I/O0InternalChip Number124801Cell Type2 Level Cell4 Level Cell8 Level Cell16 Lev

4、el CellNumber ofSimultaneouslyProgrammed PagesInterleave ProgramBetween multiple chipsNot SupportSupportCache Program表1.Nand Flash第3个ID的含义【Nand Flash的物理存储单元的阵列组织结构】Nand flash的部组织结构，此处还是用图来解释，比较容易理解：图2.Nand Flash物理存储单元的阵列组织结构上图是K9K8G08U0A的datasheet中的描述。简单解释就是:1.一个nand flash由很多个块（Block）组成，块的大小一般是-128K

5、B，256KB，512KB此处是128KB。2.每个块里面又包含了很多页（page）。每个页的大小，老的nand flash，页大小是256B，512B，这类的nand flash被称作small block，。地址周期只有4个。对于现在常见的nand flash多数是2KB，被称作big block，对应的发读写命令地址，一共5个周期（cycle），更新的nand flash是4KB，块，也是Nand Flash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（spare area）/冗余区域（redundant area），而Linux系统中，一般叫做OOB（Out

6、 Of Band），这个区域，是最初基于Nand Flash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（Error Detection Code）/ECC（Error Code Correction,或者Error Checking and Correcting），所以设计了多余的区域，用于放置数据的校验值。页, 是Nand Flash的写入操作的基本/最小的单位。【Nand Flash数据存储单元的整体架构】简单说就是，常见的nand flash，部只有一个chip，每个chip只有一个plane。而有些复杂的，容量更大

7、的nand flash，部有多个chip，每个chip有多个plane。这类的nand flash，往往也有更加高级的功能，比如下面要介绍的Multi Plane Program和Interleave Page Program等。比如，型号为K9K8G08U0A这个芯片（chip），部有:K9F4G08U0A （256MB）:Plane （1Gb）, Plane （1Gb）K9WAG08U1A，部包含了2个K9K8G08U0AK9NBG08U5A，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

8、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Flash Memory。中文有的翻译为（快速）闪存。【Flash相对于普通设备的特殊性】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/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，使得部存储的数据，只能从1变成0，这

9、点，可以从前面的部实现机制了解到，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/存等）Flash读取/写入的叫法读取/写入读取/编程（Program）读取/写入的最小单位Bit/位Page/页擦除（Erase）操作的最小单位Block/块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0xFF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：之所以将写操作叫做编程，是因为，flash和之前的EPROM，EEPROM继承

10、发展而来，而之前的EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory），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。对于目前常见的页大小是2K/4K的Nand Flash，其块的大小有128KB/256KB/512KB等。而对于Nor Flash，常见的块大小有64K/32K等。在写数据之前，要先擦除，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。【Nand Flash引脚（Pin）的说明】图3.Nand Flash引脚功能说明上图是常

11、见的Nand Flash所拥有的引脚（Pin）所对应的功能，简单翻译如下：I/O0 I/O7：用于输入地址/数据/命令，输出数据CLE：Command Latch Enable，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：Address Latch Enable，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#：Chip Enable，芯片使能，在操作Nand Flash之前，要先选中此芯片，才能操作5.RE#：Read Enable，读使能，在读取数据之前，要先使CE有效。6.WE#：Write Enable，写使能,在写取数据之前，

12、要先使WE有效。7.WP#：Write Protect，写保护8.R/B#:Ready/Busy Output,就绪/忙,主要用于在发送完编程/擦除命令后,检测这些操作是否完成,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；

13、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，Nand Flash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（Command Latch Enable,CLE）和地址锁存使能（Address Latch Enable，ALE），那是因为，Nand Flash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nand Flash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

14、容，进行对应的动作。否则,nand flash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.【Nand Flash只有8个I/O引脚的好处】减少外围引脚：相对于并口（Parellel）的Nor Flash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。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引脚，在芯片部换了芯片的大小等的改动，对于用全

15、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Nand Flash，由于对外提供的都是统一的8个引脚，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nand flash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。【Nand flash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

16、器的时间一般是20us。4.串行访问（Serial access）读取一个数据的时间是25ns，而一些旧的nand flash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Nand Flash，编程/擦除时间比较短，比如K9G8G08U0M，才5K次，而后来很多6.nand flash的编程/擦除的寿命，最多允许的次数，以前的nand flash多数是10K次，也就是1万次，而现在很多新的nand flash，技术提高了，比如，Micron的MT29F1GxxABB，Numonyx的NAND04G-B2D/NAND08G-BxC，都可以达

17、到100K，也就是10万次的编程/擦除。和之前常见的Nor Flash达到同样的使用寿命了。7.48引脚的TSOP1封装或 52引脚的ULGA封装【Nand Flash中的特殊硬件结构】由于nand flash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（Page Register）：由于Nand Flash读取和编程操作来说，一般最小单位是页，所以，nand flash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

18、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Page Register，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4 Nand Flash读写时的数据流向【Nand Flash中的坏块（Bad Block）】Nand Flash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

19、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Nand Flash，就可以包含了坏块。此类出厂时就有的坏块，被称作factory （masked）bad block或initial bad/invalid block，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Nand Flash，是块中第一个页的oob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nand fla

20、sh，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。这类块叫做worn-out bad block。对于坏块的管理，在Linux系统中，叫做坏块管理（BBM，Bad Block Managment），对应的会有一个表去记录好块，坏块的信息，以及坏块是出厂就有的，还是后来使用产生的，这个表叫做坏块表（BBT，Bad Block Table）。在Linux核M

21、TD架构下的Nand Flash驱动，和Uboot中Nand Flash驱动中，在加载完驱动之后，如果你没有加入参数主动要求跳过坏块扫描的话，那么都会去主动扫描坏块，建立必要的BBT的，以备后面坏块管理所使用。而关于好块和坏块，Nand Flash在出厂的时候，会做出保证：1.关于好的，可以使用的块的数目达到一定的数目，比如三星的K9G8G08U0M，整个flash一共有4096个块，出厂的时候，保证好的块至少大于3996个，也就是意思是，你新买到这个型号的nand flash，最坏的可能，有30963996100个坏块。不过，事实上，现在出厂时的坏块，比较少，绝大多数，都是使用时间长了，在使

22、用过程中出现的。2.保证第一个块是好的，并且一般相对来说比较耐用。做此保证的主要原因是，很多Nand Flash坏块管理方法中，就是将第一个块，用来存储上面提到的BBT，否则，都是出错几率一样的块，那么也就不太好管理了，连放BBT的地方，都不好找了，_。一般来说，不同型号的Nand Flash的数据手册中，也会提到，自己的这个nand flash，最多允许多少个坏块。就比如上面提到的，三星的K9G8G08U0M，最多有100个坏块。对于坏块的标记，本质上，也只是对应的flash上的某些字节的数据是非0xFF而已，所以，只要是数据，就是可以读取和写入的。也就意味着，可以写入其他值，也就把这个坏块

23、标记信息破坏了。对于出厂时的坏块，一般是不建议将标记好的信息擦除掉的。uboot中有个命令是“nand scrub”就可以将块中所有的容都擦除了，包括坏块标记，不论是出厂时的，还是后来使用过程中出现而新标记的。一般来说，不建议用这个。不过，我倒是经常用，其实也没啥大碍，呵呵。最好用“nand erase”只擦除好的块，对于已经标记坏块的块，不擦除。【nand Flash中页的访问顺序】在一个块，对每一个页进行编程的话，必须是顺序的，而不能是随机的。比如，一个块中有128个页，那么你只能先对page0编程，再对page1编程，。，而不能随机的，比如先对page3，再page1，page2.，pa

24、ge0，page4，.。【片选无关（CE dont-care）技术】很多Nand flash支持一个叫做CE dont-care的技术，字面意思就是，不关心是否片选，那有人会问了，如果不片选，那还能对其操作吗？答案就是，这个技术，主要用在当时是不需要选中芯片却还可以继续操作的这些情况：在某些应用，比如录音，音频播放等应用，中，外部使用的微秒（us）级的时钟周期，此处假设是比较少的2us，在进行读取一页或者对页编程时，是对Nand Flash操作，这样的串行（Serial Access）访问的周期都是20/30/50ns，都是纳秒（ns）级的，此处假设是50ns，当你已经发了对应的读或写的命令之

25、后，接下来只是需要Nand Flash部去自己操作，将数据读取除了或写入进去到部的数据寄存器中而已，此处，如果可以把片选取消，CE#是低电平有效，取消片选就是拉高电平，这样会在下一个外部命令发送过来之前，即微秒量级的时间里面，即2us50ns2us，这段时间的取消片选，可以降低很少的系统功耗，但是多次的操作，就可以在很大程度上降低整体的功耗了。总结起来简单解释就是：由于某些外部应用的频率比较低，而Nand Flash部操作速度比较快，所以具体读写操作的大部分时间里面，都是在等待外部命令的输入，同时却选中芯片，产生了多余的功耗，此“不关心片选”技术，就是在Nand Flash的部的相对快速的操作

26、（读或写）完成之后，就取消片选，以节省系统功耗。待下次外部命令/数据/地址输入来的时候，再选中芯片，即可正常继续操作了。这样，整体上，就可以大大降低系统功耗了。注:Nand Flash的片选与否，功耗差别会有很大。如果数据没有记错的话，我之前遇到我们系统里面的nand flash的片选，大概有5个mA的电流输出呢，要知道，整个系统优化之后的待机功耗，也才10个mA左右的。【带EDC的拷回操作以及Sector的定义（Copy-Back Operation with EDC & Sector Definition for EDC）】Copy-Back功能，简单的说就是，将一个页的数据，拷贝到另一个页。如果没有Copy-Back功能，那么正常的做法就是，先要将那个页的数据拷贝出来放到存的数据buffer中，读出来之后，