FLash基礎(chǔ)介紹-20140627

1、FLASH基礎(chǔ)知識介紹主要內(nèi)容一、存儲器 二、FLASH的分類與封裝三、NOR FLASH基礎(chǔ)介紹以及測試四、NAND FLASH基礎(chǔ)介紹以及測試存儲器 常見的存儲器 根據(jù)掉電數(shù)據(jù)是否丟失lRAM：隨機(jī)存取存儲器 SRAM：Static RAM/靜態(tài)存儲器 DRAM：Dynamic RAM/動態(tài)存儲器SDRAM：同步動態(tài)隨機(jī)存儲器 lROM：只讀存儲器 EROM：可編程的ROMEPROM：可擦除可編程ROMEEPROM：電可擦除可編程ROM Flash： 非易失性存儲器 也稱Flash Memory閃存p NAND Flash：pNOR Flash： 存儲器 RAMROM訪問速度快、掉電后數(shù)據(jù)

2、會丟失、讀寫時間相等，且與地址無關(guān)掉電后數(shù)據(jù)不會丟、存取速度低、只讀數(shù)據(jù)、非易失性SRAMDRAMSDRAMEROMEPROMEEPROMFLASH利用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來保存信息、只要不掉電信息不會丟失的、速度非常快利用MOS管的柵電容存儲電荷來儲存信息，因此通過不停的給電容充電來維持信息、速度比SRAM慢，不過還是比任何ROM都要快單一的系統(tǒng)時鐘同步所有的地址數(shù)據(jù)和控制信號，提高系統(tǒng)表現(xiàn)、簡化設(shè)計、提供高速數(shù)據(jù)傳輸可編程的、一次性可編程的、通過紫外光的照射擦出原先的程序可編程的、通過電子擦出、價格高、寫入時間很長、寫入很慢、即插即用結(jié)合了ROM和RAM的長處;具備(EEPROM的性能，還不會斷電

3、丟失數(shù)據(jù)同時可以快速讀取數(shù)據(jù).擦寫方便、非易失性、可讀可寫訪問速度快、功耗低 、體積小利用浮置柵上的電容存儲電荷來保存信息，因為浮置柵不會漏電，所以斷電后信息仍然可以保存。 NANDFLASHNOR FLASH寫入和擦除的速度比NOR快、高存儲密度、執(zhí)行擦除操作十分簡單寫入和擦除速度慢、傳輸效率很高、讀速度比NAND稍快一些FLASH的封裝FLASH的封裝方式1、BGA(Ball Grid Array Package)-球柵陣列封裝因為封裝技術(shù)關(guān)系到產(chǎn)品的功能性，當(dāng)IC的頻率超過100MHz時，傳統(tǒng)封裝方式可能會產(chǎn)生所謂的“CrossTalk”現(xiàn)象，而且當(dāng)IC的管腳數(shù)大于208 Pin時，傳統(tǒng)

4、的封裝方式有其困難度。BGA封裝具有以下特點：1）.I/O引腳數(shù)雖然增多，但引腳之間的距離遠(yuǎn)大于QFP封裝方式，提高了成品率。2）.雖然BGA的功耗增加，但由于采用的是可控塌陷芯片法焊接，從而可以改善熱性能。3）.信號傳輸延遲小，適應(yīng)頻率大大提高。4）.組裝可用共面焊接，可靠性大大提高2、COB（Chip on board）工藝，是指廠商為節(jié)省成本，沒有采用標(biāo)準(zhǔn)的閃存芯片+控制芯片獨立封裝的形式，而是將閃存芯片和控制器芯片直接連接，封裝在一體，并固定于印刷線路板上的生產(chǎn)方式。3、TSOP (Thin Small Outline Package 薄型小尺寸封裝 )鑲嵌在電路版上的包裝 , TSO

5、P 最早被應(yīng)用在制造筆記型計算機(jī)所用的名片大小模塊上。 近年來，疊層芯片封裝逐漸成為技術(shù)發(fā)展的主流。疊層芯片封裝技術(shù)，簡稱3D封裝，是指在不改變封裝體尺寸的前提下，在同一個封裝體內(nèi)于垂直方向疊放兩個以上芯片的封裝技術(shù)，它起源于快閃存儲器(NOR/NAND)及SDRAM的疊層封裝。FLASH的分類分類分類 NAND FLASHNOR FLASH主要生產(chǎn)廠主要生產(chǎn)廠家家Intel，AMD（超微半導(dǎo)體公司），F(xiàn)ujitsu（富士通）和Toshiba, Spansion(飛索半導(dǎo)體) ，SSTSamsung和Toshiba（東芝）存儲數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)原理原理用三端器件作為存儲單元，分別為源極、漏極和柵極，

6、與場效應(yīng)管的工作原理相同，主要是利用電場的效應(yīng)來控制源極與漏極之間的通斷，柵極的電流消耗極小，不同的是場效應(yīng)管為單柵極結(jié)構(gòu)，而 FLASH 為雙柵極結(jié)構(gòu)，在柵極與硅襯底之間增加了一個浮置柵極。浮置柵極是由氮化物夾在兩層二氧化硅材料之間構(gòu)成的，中間的氮化物就是可以存儲電荷的電荷勢阱。上下兩層氧化物的厚度大于 50 埃，以避免發(fā)生擊穿。浮柵重放浮柵重放電電向數(shù)據(jù)單元內(nèi)寫入數(shù)據(jù)的過程就是向電荷勢阱注入電荷的過程，寫入數(shù)據(jù)有兩種技術(shù)，熱電 子注入(hot electron injection)和 F-N 隧道效應(yīng)(Fowler Nordheim tunneling)，前一種是通過源極給浮柵充電，后一種

7、是通過硅基層給浮柵充電。NOR 型 FLASH 通過熱電子注入方式給浮柵充電，而 NAND 則通過 F-N 隧道效應(yīng)給浮柵充電。在寫入新數(shù)據(jù)之前，必須先將原來的數(shù)據(jù)擦除，這點跟硬盤不同，也就是將浮柵的電荷放掉， 兩種 FLASH 都是 。0和和1這方面兩種 FLASH 一樣，向浮柵中注入電荷表示寫入了0，沒有注入電荷表示1，所以對 FLASH 清除數(shù)據(jù)是寫 1 的，這與硬盤正好相反；浮柵中有電荷的單元來說，由于浮柵的感應(yīng)作用，在源極和漏極之間將形成帶正電的空間電荷區(qū)，這時無論控制極上有沒有施加偏置電壓，晶體管都將處于導(dǎo)通狀態(tài)。而對于浮柵中沒有電荷的晶體管來說只有當(dāng)控制極上施加有適當(dāng)?shù)钠秒妷海?/p>

8、在硅基層上感應(yīng)出電荷，源極和漏極才能導(dǎo)通，也就是說在沒有給控制極施 加偏置電壓時，晶體管是截止的。 如果晶體管的源極接地而漏極接位線，在無偏置電壓的情況下，檢測晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)就可以獲得存儲單元中的數(shù)據(jù)，如果位線上的電平為低，說明晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)，讀取的數(shù)據(jù)為0，如果位線上為高電平，則說明晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，讀取的數(shù)據(jù)為1。由于控制柵極在讀取數(shù)據(jù)的過程中施加的電壓較小或根本不施加電壓，不足以改變浮置柵極中原有的電荷量，所以讀取操作不會改變 FLASH 中原有的數(shù)據(jù)。FLASH的分類連接與編連接與編碼方式碼方式兩種 FLASH 具有相同的存儲單元，工作原理也一樣，為了縮短存取時間并不是對每個單

9、元 進(jìn)行單獨的存取操作，而是對一定數(shù)量的存取單元進(jìn)行集體操作， NAND 型 FLASH 各存 儲單元之間是串聯(lián)的，而 NOR 型 FLASH 各單元之間是并聯(lián)的；為了對全部的存儲單元有 效管理，必須對存儲單元進(jìn)行統(tǒng)一編址。NAND器件使用復(fù)用的I/O口存取數(shù)據(jù)，8個引腳分時用來傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信息。NAND 的全部存儲單元分為若干個塊，每個塊又分為若干個頁，每個頁是 512byte，就是 512 個 8 位數(shù)，就是說每個頁有 512 條位線，每條位線下有 8 個存儲單元；NAND每次讀取數(shù)據(jù)時都是制定塊地址、頁地址、列地址（列地址就是讀的頁內(nèi)起始地址）那么每頁存儲的數(shù) 據(jù)正好跟硬盤的一個

10、扇區(qū)存儲的數(shù)據(jù)相同，這是設(shè)計時為了方便與磁盤進(jìn)行數(shù)據(jù)交換而特意安排的，那么塊就類似硬盤的簇；容量不同，塊的數(shù)量不同，組成塊的頁的數(shù)量也不同。NAND FLASH的讀寫操作是以頁為基本單位。在讀取數(shù)據(jù)時，當(dāng)字線和位線鎖定某個晶體管時，該晶體管的控制極不加偏置電壓，其它的 7 個都加上偏置電壓而導(dǎo)通，如果這個晶體管的浮柵中有電荷就會導(dǎo)通使位線為低電平， 讀出的數(shù)就是 0，反之就是 1。NOR 的每個存儲單元以并聯(lián)的方式連接到位線，方便對每一位進(jìn)行隨機(jī)存?。痪哂袑Ｓ玫?地址線，它帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來尋址，可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個字節(jié)?？梢詫崿F(xiàn)一次性的直接尋址；縮短了 FLASH

11、 對處理器指令的執(zhí)行時間。比比較較性能a、 NOR的讀速度比NAND稍快一些（nand地址信息包括塊號、塊內(nèi)頁號和頁內(nèi)字節(jié)號等 NOR的操作則是以字或字節(jié)為單位進(jìn)行的） b、 NAND的寫入速度比NOR快很多；（nand以頁單位寫 nor可以以字節(jié)單位寫） c、 NAND的4ms擦除速度遠(yuǎn)比NOR的5s快；（由于擦除NOR器件是以64128KB的塊進(jìn)行，執(zhí)行一個寫入/擦除操作時間為5s，與此相反，擦除NAND器件是以832KB的塊進(jìn)行的，執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms）d、 大多數(shù)寫入操作需要先進(jìn)行擦除操作； e、 NAND的擦除單元更小，相應(yīng)的擦除電路更少。FLASH的分類比比較較接口NOR

12、 flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來尋址，可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個字節(jié)。 NAND器件使用復(fù)雜的I/O口來串行地存取數(shù)據(jù)，各個產(chǎn)品或廠商的方法可能各不相同，8個引腳用來傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信息。 NAND讀和寫操作采用512字節(jié)的塊。與硬盤原理一樣容量和成本 NAND flash的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半，由于生產(chǎn)過程更為簡單，NAND結(jié)構(gòu)可以在給定的模具尺寸內(nèi)提供更高的容量，也就相應(yīng)地降低了價格。 NOR flash占據(jù)了容量為116MB閃存市場的大部分，而NAND 只是用在8128MB的產(chǎn)品當(dāng)中，這也說明NOR主要應(yīng)用在代碼存儲介質(zhì)中，NAND適合于數(shù)據(jù)存儲?？煽啃?/p>

13、和耐用性 a、 壽命(耐用性) 在NAND閃存中每個塊的最大擦寫次數(shù)是一百萬次，而NOR的擦寫次數(shù)是十萬次。典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8倍，每個NAND存儲器塊在給定的時間內(nèi)的刪除次數(shù)要少一些。 b、 位交換 所有flash器件都受位交換現(xiàn)象的困擾。一個比特(bit)位會發(fā)生反轉(zhuǎn)或被報告反轉(zhuǎn)了。 一位的變化可能不很明顯，但是如果發(fā)生在一個關(guān)鍵文件上，這個小小的故障可能導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。如果只是報告有問題，多讀幾次就可能解決了。 如果這個位真的改變了，采用錯誤探測/錯誤更正(EDC/ECC)算法。位反轉(zhuǎn)的問題更多見于NAND閃存，NAND的供應(yīng)商建議使用NAND閃存的時候，同時使用EDC/

14、ECC算法。 c、壞塊處理（nand 開始之后先進(jìn)性壞塊處理） NAND器件中的壞塊是隨機(jī)分布的，且容易出現(xiàn)。以前也曾有過消除壞塊的努力，但發(fā)現(xiàn)成品率太低，代價太高，根本不劃算。 NAND器件需要對介質(zhì)進(jìn)行初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊，并將壞塊標(biāo)記為不可用。在已制成的器件中，如果通過可靠的方法不能進(jìn)行這項處理，將導(dǎo)致高故障率。 易于使用可以非常直接地使用基于NOR的閃存，可以像其他存儲器那樣連接，并可以在上面直接運行代碼。由于需要I/O接口，NAND要復(fù)雜得多。 在使用NAND器件時，必須先寫入驅(qū)動程序，才能繼續(xù)執(zhí)行其他操作。向NAND器件寫入信息需要相當(dāng)?shù)募记?，因為設(shè)計師絕不能向壞塊寫入，這就意味著

15、在NAND器件上自始至終都必須進(jìn)行虛擬映射。軟件支持NOR器件上運行代碼不需要任何的軟件支持，在NAND器件上進(jìn)行同樣操作時，通常需要驅(qū)動程序，也就是內(nèi)存技術(shù)驅(qū)動程序(MTD)，NAND和NOR器件在進(jìn)行寫入和擦除操作時都需要MTD。NOR FLASH一、NOR 容量的計算 HY29LV160 有20根地址線，16位的數(shù)據(jù)線。 所以： 容量=220(地址線)X16(數(shù)據(jù)位數(shù))bit =1MX16bit=1MX2B =2MBNOR FLASH管腳名稱管腳名稱 類型類型 管教管教功能功能A19-A0輸入A0-A19地址DQ15-DQ0輸出/輸入DQ0-DQ15數(shù)據(jù)CE#輸入CE#讀使能，低電平有效

16、OE#輸入OE#讀使能WE#輸入WE#寫使能VDD輸入VDD電源Vss輸入Vss地BYTE#輸入BYTE#用來配置地址線為8位或是16位WP#輸入Write protect寫保護(hù)R/B輸出Ready/Busy準(zhǔn)備/忙二、管腳定義 NOR FLASH1、整片擦除操作 整片擦除操作共需要6個周期的總線寫操作 1 將 0 xAA寫到 FLASH 地址 0 x5555 2 將 0 x55 寫到 FLASH 地址 0 x2AAA 3 將 0 x80 寫到 FLASH 地址 0 x5555 4 將 0 xAA寫到 FLASH 地址 0 x5555 5 將 0 x55 寫到 FLASH 地址 0 x2AAA

17、 6 將 0 x10 寫到 FLASH 地址 0 x55552、SECTOR 擦除操作 SECTOR的擦除操作共需要6個周期的總線寫操作 1 將 0 xAA寫到 FLASH 地址 0 x5555 2 將 0 x55 寫到 FLASH 地址 0 x2AAA 3 將 0 x80 寫到 FLASH 地址 0 x5555 4 將 0 xAA寫到 FLASH 地址 0 x5555 5 將 0 x55 寫到 FLASH 地址 0 x2AAA 6 將 0 x30 寫到要擦除的 SECTOR 對應(yīng)的地址3、BYTE 編程操作 寫一個BYTE 的數(shù)據(jù)到FLASH中去,需要 4個周期的總線寫操作 1 將 0 xA

18、A寫到 FLASH 地址 0 x5555 2 將 0 x55 寫到 FLASH 地址 0 x2AAA 3 將 0 xA0 寫到 FLASH 地址 0 x5555 4 將編程數(shù)據(jù)(BYTE)寫到對應(yīng)的編程地址上去三、擦除與編程操作NOR FLASHNOR FLASH四、操作-讀NOR FLASH四、操作-寫地址寫地址時，CE#為低，WE#為低有效，在WE#的下降沿采樣。NOR FLASH四、操作-寫數(shù)據(jù)寫地址時，CE#為低，WE#為低有效，在WE#的上升沿采樣。NOR FLASH五、結(jié)構(gòu)NAND FLASH一、NAND容量計算 芯片內(nèi)部存儲布局及存儲操作特點: 一片Nand flash為一個設(shè)備

19、(device), 其數(shù)據(jù)存儲分層為: （三星的k9f1208為例） 1 (Device) = 4096 (Blocks) 1 (Block) = 32 (Pages/Rows) 頁與行是相同的意思,叫法不一樣 1 (Page) = 528 (Bytes) = 數(shù)據(jù)塊大小(512Bytes) + OOB 塊大小(16Bytes) 在每一頁中,最后16個字節(jié)(又稱OOB)用于Nand Flash命令執(zhí)行完后設(shè)置狀態(tài)用,剩余512個字節(jié)又 分為前半部分和后半部分?？梢酝ㄟ^Nand Flash命令00h/01h/50h分別對前半部、后半部、OOB進(jìn)行定位通過 Nand Flash內(nèi)置的指針指向各自的

20、首地址。(byte與bit的區(qū)別 簡稱大B小b)存儲操作特點 1. 擦除操作的最小單位是塊。（由 NAND FLASH的結(jié)構(gòu)決定） 2. Nand Flash芯片每一位(bit)只能從1變?yōu)?,而不能從0變?yōu)?,所以在對其進(jìn)行寫入操作之前要一定將相應(yīng)塊擦除(擦除即是將相應(yīng)塊得位全部變?yōu)?). 3. OOB部分的第六字節(jié)(即517字節(jié))標(biāo)志是否是壞塊,如果不是壞塊該值為FF,否則為壞塊。(轉(zhuǎn)載注：應(yīng)該是每塊的第一頁的第六個字節(jié)。) 4. 除OOB第六字節(jié)外,通常至少把OOB的前3個字節(jié)存放Nand Flash硬件ECC碼 NAND FLASH二、擦除與編程操作初始化NAND FLASH：1）寄存

21、器NFCONT，用于開啟NAND FLASH控制器； 2）向寄存器NFCMD寫入命令； 3）向寄存器NFADDR寫入地址； 4）使用寄存器NFDATA進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫，在此期間需要不斷的檢測寄存器NFSTAT來獲知NAND FLASH的狀態(tài)（忙/閑）； 寫NAND FLASH： 1）發(fā)送頁寫入命令0 x80； 2）發(fā)送頁地址； 3）發(fā)送要寫入的數(shù)據(jù)； 4）發(fā)送寫入確定命令0 x10； 5）檢測忙信號； 讀NAND FLASH： 1）發(fā)送頁讀取命令0 x00； 2）發(fā)送頁地址； 3）發(fā)送頁讀取確認(rèn)命令0 x30； 4）檢測忙信號； 5）從ARM處理器寄存器NFDATA中讀取數(shù)據(jù)。擦除NAND FL

22、ASH： 1）塊擦除命令0 x60； 2）發(fā)送塊地址； 3）塊擦除確認(rèn)命令0 xD0； 4）檢測忙信號NAND FLASHNAND FLASH三 、分類與SLC/MLC基本原理a)什么是SLC和MLC？ SLC全稱為Single-Level Cell，MLC全稱為Multi-Level Cel數(shù)碼播放器中一般采用兩種不同類型的NAND閃存。其中一種叫做SLC（Single Level Cell），單層單元閃存；第二種叫做MLC（Multi Level Cell），多層單元閃存。兩者的主要區(qū)別是SLC每一個單元儲存一位數(shù)據(jù)，而MLC通過使用大量的電壓等級，每一個單元儲存兩位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)密度比較大。

23、b)SLC芯片和MLC技術(shù)特點及區(qū)別 一般而言，SLC雖然生產(chǎn)成本較高，但在效能上大幅勝于MLC。SLC晶片可重復(fù)寫入次數(shù)約10萬次，而MLC晶片的寫入次數(shù)至少要達(dá)到1萬次才算標(biāo)準(zhǔn)，而目前三星MLC芯片采用的MLC芯片寫入壽命則在5000次左右。NAND FLASHA.讀寫速度較慢。相對主流SLC芯片，MLC芯片目前技術(shù)條件下，理論速度只能達(dá) 到2MB左右，因此對于速度要求較高的應(yīng)用會有一些問題。B.MLC能耗比SLC高，在相同使用條件下比SLC要多15%左右的電流消耗。C.MLC理論寫入次數(shù)上限相對較少，因此在相同使用情況下，使用壽命比較SLC短。D.MLC的價格比SLC低3040%，有些甚

24、至更低。 目前MLC和SLC 在2GB閃存芯片上的價格相差了將近100多元，他們的差異還是比較明顯的。所以對于選擇數(shù)碼播放器的朋友，選擇更便宜廉價的MLC芯片產(chǎn)品還是選擇穩(wěn)定性和性能更好的SLC產(chǎn)品，就看你的需要了。NAND FLASH管腳名稱管腳名稱 類型類型 管教管教功能功能CE輸入CE#芯片選擇，低電平有效WR輸入WE#寫使能，低電平有效RD輸入RE#讀使能，低電平有效ALE 輸入ALE地址鎖存使能CLE輸入CLE命令鎖存使能R/B輸出Ready/Busy準(zhǔn)備/忙IO7:0 輸出/輸入IOI/O 管腳，命令，地址和數(shù)據(jù)WP#輸入Write protect寫保護(hù)Vcc輸入Power sup

25、ply電源Vss輸入Ground地四、管腳 NAND FLASH五、操作-確定初始化無效塊NAND上電需要做初始化操作。初始化過程中，會檢查NAND 的無效塊。NAND可能在使用之前某些塊有損壞，故在開始之后要對每個塊進(jìn)行檢測，如果檢測到“FFh”則說明該模塊沒有問題，如果出現(xiàn)問題在初始化表中則不會出現(xiàn)有問題塊。 擦除過程也是判斷FF。NAND FLASH五、操作-復(fù)位NAND FLASH五、操作-寫命令寫命令時序：（CE#=“L”； CLE=“H”； WE#= “L ”；ALE=“L”）WE#的上升沿采樣NAND FLASH五、操作-寫地址寫地址時序：（CE#=“L”； CLE=“L”； W

26、E#= “L ”；ALE=“H”）WE#的上升沿采樣NAND FLASH五、操作-寫數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)時序： （CE#=“L”； CLE=“L”； WE#= “L ”；ALE=“L”）WE#的上升沿采樣NAND FLASH五、操作-讀數(shù)據(jù)讀數(shù)據(jù)時序： （CE#=“L”； CLE=“L”； RE#= “L ”；ALE=“L”） 介紹 命令位 還有 RB 還有 WPNAND FLASH五、操作-上電順序?qū)懕Ｗo(hù)在上電過程中不能有效時間過長。NAND FLASH五、操作-上電順序?qū)懕Ｗo(hù)在上電過程中不能有效時間過長。NAND FLASH六、結(jié)構(gòu)NAND FLASHThank You !NOR FLASHNor Flash 提供幾個數(shù)據(jù)位來確定一個寫操作的狀態(tài)，它們分別是： DQ2, DQ3, D