NAND閃存深入解析

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1、對(duì)于許多消費(fèi)類音視頻產(chǎn)品而言，NAND閃存是一種比硬盤驅(qū)動(dòng)器更好的存儲(chǔ)方案，這在不超過4GB的低容量應(yīng)用中表現(xiàn)得猶為明顯。隨著人們持續(xù)追求功耗更低、重量更輕和性能更佳的產(chǎn)品，NAND正被證明極具吸引力。NAND閃存陣列分為一系列128kB的區(qū)塊(block)，這些區(qū)塊是NAND器件中最小的可擦除實(shí)體。擦除一個(gè)區(qū)塊就是把所有的位(bit)設(shè)置為“1”(而所有字節(jié)(byte)設(shè)置為FFh)。有必要通過編程，將已擦除的位從“1”變?yōu)椤?”。最小的編程實(shí)體是字節(jié)(byte)。一些NOR閃存能同時(shí)執(zhí)行讀寫操作(見下圖1)。雖然NAND不能同時(shí)執(zhí)行讀寫操作，它可以采用稱為“映射

2、(shadowing)”的方法，在系統(tǒng)級(jí)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這種方法在個(gè)人電腦上已經(jīng)沿用多年，即將BIOS從速率較低的ROM加載到速率較高的RAM上。NAND的效率較高，是因?yàn)镹AND串中沒有金屬觸點(diǎn)。NAND閃存單元的大小比NOR要小(4F2：10F2)的原因，是NOR的每一個(gè)單元都需要獨(dú)立的金屬觸點(diǎn)。NAND與硬盤驅(qū)動(dòng)器類似，基于扇區(qū)(頁)，適合于存儲(chǔ)連續(xù)的數(shù)據(jù)，如圖片、音頻或個(gè)人電腦數(shù)據(jù)。雖然通過把數(shù)據(jù)映射到RAM上，能在系統(tǒng)級(jí)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)存取，但是，這樣做需要額外的RAM存儲(chǔ)空間。此外，跟硬盤一樣，NAND器件存在壞的扇區(qū)，需要糾錯(cuò)碼(ECC)來維持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性。存儲(chǔ)單

3、元面積越小，裸片的面積也就越小。在這種情況下，NAND就能夠?yàn)楫?dāng)今的低成本消費(fèi)市場(chǎng)提供存儲(chǔ)容量更大的閃存產(chǎn)品。NAND閃存用于幾乎所有可擦除的存儲(chǔ)卡。NAND的復(fù)用接口為所有最新的器件和密度都提供了一種相似的引腳輸出。這種引腳輸出使得設(shè)計(jì)工程師無須改變電路板的硬件設(shè)計(jì)，就能從更小的密度移植到更大密度的設(shè)計(jì)上。NAND與NOR閃存比較NAND閃存的優(yōu)點(diǎn)在于寫(編程)和擦除操作的速率快，而NOR的優(yōu)點(diǎn)是具有隨機(jī)存取和對(duì)字節(jié)執(zhí)行寫(編程)操作的能力(見下圖圖2)。NOR的隨機(jī)存取能力支持直接代碼執(zhí)行(XiP)，而這是嵌入式應(yīng)用經(jīng)常需要的一個(gè)功能。NAND的缺點(diǎn)是隨機(jī)存取的

4、速率慢，NOR的缺點(diǎn)是受到讀和擦除速度慢的性能制約。NAND較適合于存儲(chǔ)文件。如今，越來越多的處理器具備直接NAND接口，并能直接從NAND(沒有NOR)導(dǎo)入數(shù)據(jù)。NAND的真正好處是編程速度快、擦除時(shí)間短。NAND支持速率超過5Mbps的持續(xù)寫操作，其區(qū)塊擦除時(shí)間短至2ms，而NOR是750ms。顯然，NAND在某些方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。然而，它不太適合于直接隨機(jī)存取。對(duì)于16位的器件，NOR閃存大約需要41個(gè)I/O引腳；相對(duì)而言，NAND器件僅需24個(gè)引腳。NAND器件能夠復(fù)用指令、地址和數(shù)據(jù)總線，從而節(jié)省了引腳數(shù)量。復(fù)用接口的一項(xiàng)好處，就在于能夠利用同樣的硬件設(shè)計(jì)

5、和電路板，支持較大的NAND器件。由于普通的TSOP-1封裝已經(jīng)沿用多年，該功能讓客戶能夠把較高密度的NAND器件移植到相同的電路板上。NAND器件的另外一個(gè)好處顯然是其封裝選項(xiàng)：NAND提供一種厚膜的2Gb裸片或能夠支持最多四顆堆疊裸片，容許在相同的TSOP-1封裝中堆疊一個(gè)8Gb的器件。這就使得一種封裝和接口能夠在將來支持較高的密度。圖1不同閃存單元的對(duì)比圖2NOR閃存的隨機(jī)存取時(shí)間為0.12ms，而NAND閃存的第一字節(jié)隨機(jī)存取速度要慢得多NAND基本操作以2GbNAND器件為例，它由2048個(gè)區(qū)塊組成，每個(gè)區(qū)塊有64個(gè)頁(見圖3)。圖32GBNAND閃存包含

6、2,048個(gè)區(qū)塊每一個(gè)頁均包含一個(gè)2048字節(jié)的數(shù)據(jù)區(qū)和64字節(jié)的空閑區(qū)，總共包含2,112字節(jié)?？臻e區(qū)通常被用于ECC、耗損均衡(wearleveling)和其它軟件開銷功能，盡管它在物理上與其它頁并沒有區(qū)別。NAND器件具有8或16位接口。通過8或16位寬的雙向數(shù)據(jù)總線，主數(shù)據(jù)被連接到NAND存儲(chǔ)器。在16位模式，指令和地址僅僅利用低8位，而高8位僅僅在數(shù)據(jù)傳輸周期使用。擦除區(qū)塊所需時(shí)間約為2ms。一旦數(shù)據(jù)被載入寄存器，對(duì)一個(gè)頁的編程大約要300μs。讀一個(gè)頁面需要大約25μs，其中涉及到存儲(chǔ)陣列訪問頁，并將頁載入16,896位寄存器中。除了I/O總線，NAND

7、接口由6個(gè)主要控制信號(hào)構(gòu)成：1.芯片啟動(dòng)(ChipEnable,CE#)：如果沒有檢測(cè)到CE信號(hào)，那么，NAND器件就保持待機(jī)模式，不對(duì)任何控制信號(hào)作出響應(yīng)。2.寫使能(WriteEnable,WE#):WE#負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)、地址或指令寫入NAND之中。3.讀使能(ReadEnable,RE#):RE#允許輸出數(shù)據(jù)緩沖器。4.指令鎖存使能(CommandLatchEnable,CLE):當(dāng)CLE為高時(shí)，在WE#信號(hào)的上升沿，指令被鎖存到NAND指令寄存器中。5.地址鎖存使能(AddressLatchEnable,ALE)：當(dāng)ALE為高時(shí)，在WE#信號(hào)的上升沿，地址被