Flash综述

upsdn首页 > 嵌入式开发 > PMP开发

“闪存(Flash)”这一名称，是源于该存储器件只需单步操作即能擦除其中所有内容的能力。军用装备很早就从这一能力中获益，军用装备都包含机密信息，一旦即将落入敌手，就应该迅速予以破坏。与EEPROM类似，Flash的数据存储也是通过向其晶体管栅区存入电荷来实现。电荷在栅上的存储是通过注入一定量的电荷、让其穿过绝缘氧化层来实现的。

闪存器通常为两种类型：NAND和NOR型。NAND器件中晶体管的连接结构类似于一个NAND门，而NOR器件的晶体管连接结构则类似于NOR门(参见图1a和b)。下面对其进行比较：
图1a NOR闪存器

图1b NAND 闪存器


图2 将SRAM 置于Flash 上制成的双芯片堆叠


NOR闪存器的性能特点是具有快速的随机存储和字节编程能力，常用于手机、PDA、PC与外设BIOS以及机顶盒的代码存储。

NAND的性能特点是可以高速编程和擦除，以及高速串行读取。其密度高、外形紧凑，满足了数码相机、PDA和音频(MP3)等应用大容量文件存储的要求，其随机存储速度慢于NOR器件。
为了文件和代码存储，人们还开发了其他类型的闪存器。下面简要列出，以供参考：

移动设备的要求
我们不妨列举一下移动应用的关键性要求，让读者看一看闪存器是如何在这些方面体现出优势的。
功 耗和电池寿命—— 相对于SRAM和DRAM等其他存储器来说，闪存器是非易失性的。闪存器中系统和用户的数据在电源关闭后仍能保留下来，这对电池供电的装置来说是一项关键 性的要求。非易失性还意味着数据的保持无需电源供电，这就可以延长电池寿命，而闪存器节约的电能则可以用于提高系统其他部分的性能。
密度、重量和 体积——重量轻对移动电子装置来说始终是一件好事。与其他非易失性存储介质(如硬盘)相比，在每单位体积和重量对应的总密度方面，闪存器具有很大优势。此 外，随着2001年多层存储单元的面世，闪存器的密度又有极大提高。采用多层单元结构时，同一个栅极上可以存储2bit及以上的信息。与单bit的闪存器 件相比，这类器件的密度实际上翻了一倍(甚至更多)。
速度 ——某些移动应用(如手机)的使用，受到通信链路的数据率限制。通常的标准做法是把代码复制到SRAM或DRAM中，再送出执行。在这类应用中，存储器系 统的速度并非关键因素，某些手机的设计就从闪存器获取并直接执行代码，性能并不会受到影响。随着一代又一代新型集成电路技术的推出，闪存器的速度已不断提 高。
封装——对于便携、移动式系统来说，封装与密度、重量和体积一样，都有着重要影响。在一个体积不断变小、重量逐渐变轻的系统中集成数目更多的 功能特性，这项要求始终是技术进步的一个动力。相应的，也就出现了把多个芯片集成到一个封装中的需求。手机市场趋势是，让单个元件同时包含SRAM和闪存 器，在这样一个双裸片堆中，SRAM的芯片固定于闪存器芯片之上，电气引出连线焊接到各芯片的外围，所以，各连线不会与其附近的其他连线发生接触(图 2)。
厂商们计划在不远的将来把中央处理器、SRAM、模拟电路芯片和闪存器封装成为单个元件，要实现由3个和4个芯片堆叠成的多芯片封装 (multi-chip packages，MCP)，就要解决多项严峻的挑战：这样的封装要求各芯片及粘(焊)接材料在热学上具有兼容性；它们还需要集成一定的散热措施，来冷却 高密度的芯片堆；为了在不同的芯片之间实现互连，还需要采用一个衬底；互连层中的芯片间走线需要在垂直方向上交织形成。

结语
总而言之，随着移动电子产品市场的不断扩大，闪存器无疑将获得极大的增长。其流行在很大程度上是由于其具备的非易失性、低功耗、高密度和重量轻等特点。多项优点集于一身，使得闪存器在移动电子领域中取得了成功。


===============================================

NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。Intel于1988年首先开发出NOR flash技术，彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面。紧接着，1989年，东芝公司发表了NAND flash结构，强调降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。但是经过了十多年之后，仍然有相当多的硬件工程师分不清NOR 和NAND闪存。
　　相“flash存储器”经常可以与相“NOR存储器”互换使用。许多业内人士也搞不清楚NAND闪存技术相对于NOR技术的优越之处，因为大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码，这时NOR闪存更适合一些。而NAND则是高数据存储密度的理想解决方案。
　 　NOR的特点是芯片内执行(XIP, eXecute In Place)，这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。NOR的传输效率很高，在1～4MB的小容量时具有很高的成 本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。
　　NAND结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于flash的管理和需要特殊的系统接口。


性能比较
　 　flash闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数 情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的，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。
　　由于擦除NOR器件时是以64～128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s，与此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms。
　　执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距，统计表明，对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时)，更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样，当选择存储解决方案时，设计师必须权衡以下的各项因素。
　　● NOR的读速度比NAND稍快一些。
　　● NAND的写入速度比NOR快很多。
　　● NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。
　　● 大多数写入操作需要先进行擦除操作。
　　● NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。


接口差别
　　NOR flash带有SRAM接口，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。
　　NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，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，很自然地，基于NAND的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。


容量和成本
　　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，也就相应地降低了价格。
　 　NOR flash占据了容量为1～16MB闪存市场的大部分，而NAND flash只是用在8～128MB的产品当中，这也说明NOR主要应用在代码存储介质中，NAND适合于数据存储，NAND在CompactFlash、 Secure Digital、PC Cards和MMC存储卡市场上所占份额最大。


可靠性和耐用性
　　采用flahs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和NAND的可靠性。
　　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。
　　位交换
　　所有flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下(很少见，NAND发生的次数要比NOR多)，一个比特位会发生反转或被报告反转了。
　　一位的变化可能不很明显，但是如果发生在一个关键文件上，这个小小的故障可能导致系统停机。如果只是报告有问题，多读几次就可能解决了。
　　当然，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。位反转的问题更多见于NAND闪存，NAND的供应商建议使用NAND闪存的时候，同时使用EDC/ECC算法。
　　这个问题对于用NAND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器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力，但发现成品率太低，代价太高，根本不划算。
　　NAND器件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。

易于使用
　　可以非常直接地使用基于NOR的闪存，可以像其他存储器那样连接，并可以在上面直接运行代码。
　　由于需要I/O接口，NAND要复杂得多。各种NAND器件的存取方法因厂家而异。
　　在使用NAND器件时，必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操作。向NAND器件写入信息需要相当的技巧，因为设计师绝不能向坏块写入，这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。


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。
　　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。


================================================
　Flash Memory从结构上大体上可以分为AND、NAND、NOR和DiNOR等几种，多数供应厂商为美国和日本的半导体厂商，还有部分是韩国的。这几种结构 中，NOR和DiNOR的特点为相对电压低、随机读取快、功耗低、稳定性高，而NAND和AND则容量大、回写速度快、芯片面积小。目前市场上以NOR和 NAND的应用最为广泛，分别有不同的存贮卡产品。

　　NAND型的单元排列是串行的，而NOR型则是并行的。在NAND型Flash Memory中，存贮单元被分成页，由页组成块。根据容量不同，块和页的大小有所不同，而组成块的页的数量也会不同，如8MB的模块，页大小为(512+ 16)Byte、块大小为(8K+256)Byte；而2MB模块，页大小为(256+8)Byte、块大小为(4K+128)Byte。NAND型存贮 单元的读写是以块和页为单位来进行的，像硬盘多过像传统的内存。实际上，NAND型的Flash Memory可以看做是顺序读取的设备，它仅用8比特的I/O端口就可以存取按页为单位的数据。正因为这样，它在读和擦文件、特别是连续的大文件时，与 NOR型的Flash Memory相比速度相当的快。但NAND型的不足在于随机存取速度较慢，而且没有办法按字节写；这些方面就恰好是NOR型的优点所在：NOR型随机存取 速度较快，而且可以随机按字节写。正因为这些特点，所以NAND型的Flash Memory适合用在大容量的多媒体应用中，而NOR型适合应用在数据/程序存贮应用中

Nand-Flash于 NOR-Flash的最大差别在于它是以页面（Page）的形式进行读写访问的；而NOR-Flash是线性空间访问的。通常的 Nand-Flash的结构如下：512Bytes＝1Page；32Pages＝1Block；N个Blocks构成单颗IC。看到这样的结构，如果您 熟悉FAT16文件系统，您会发现怎么
Nand-Flash的结构同FAT16分区的硬盘如此相似！（在FAT16分区的硬盘中： 512Bytes＝1Sector；32Sectors＝ 1Cluster；N个Clusters构成此FAT16分区），这也就是为何Nand-Flash会被列为SSFD（Solid-State Flash Disk）的原因。

===================================================
Flash存储器根据其内部电路的逻辑结构可分外两大类，

一类是NOR（异或）型，主要厂商有Intel、AMD、Atmel、Fujitsu 、SST等，主要用于保存程序代码，接口方式与EPROM类似，采用并行结构，PC机的BIOS就是由这种Flash存储的；

另一类是NAND（与非）型，主要是由Toshiba和Samung两大厂商生产，最大的特点是采用串行结构，模块内部不包含存储器控制器，结构简单，可以作出极高的容量，相应的缺点是不易保证数据的可靠性，出厂中会导致少量的坏块，同时为了保证使用接口的一致性，厂商提供一个相互兼容的软硬件接口，可以对坏块做出标记进行管理，就象操作系统对硬盘的坏道进行管理一样，对使用者而言，这种存储器来存储还是十分可靠的，而且这种Flash主要是用来存储数据。2001年1月，Samung推出了采用0.15微米工艺制作的单片容量高达512Mb（64MB）的NAND型Flash芯片，目前单片容量可以做到1Gbit。

作者:anonymous   更新日期:2005-01-09
来源:internet   浏览次数:

相关文章

相关评论   发表评论