硬盤技術(shù)知識

1、在嵌入式開發(fā)中，如果芯片內(nèi)部有Flash，應(yīng)用程序通常保存在芯片內(nèi)部FLASH中，比如Cortex-M系列的單片機(jī)；如果芯片內(nèi)部沒有Flash，則應(yīng)用程序通常保存于外部的NAND FLASH中，比如Cortex-A系列的芯片。這些Flash都是可以通過軟件編碼進(jìn)行重新編程。在計算機(jī)發(fā)展早期，數(shù)據(jù)是存儲在ROM中，ROM中的數(shù)據(jù)只讀不可寫，應(yīng)用有限，直到后面出現(xiàn)的EEPROM、NAND存儲器，使得計算機(jī)存儲技術(shù)的應(yīng)用得到快速發(fā)展，特別是近十年廣泛應(yīng)用的高速存儲技術(shù)eMMC與UFS，推動消費(fèi)電子領(lǐng)域的快速發(fā)展，比如手機(jī)存儲技術(shù)，現(xiàn)今最新款的小米11，使用了UFS3.1技術(shù)。一、存儲器的發(fā)展存儲器的

2、快速發(fā)展得益于半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)明與發(fā)展，特別是晶體管與CMOS管的發(fā)明，通過電信號來控制自身開合，以開關(guān)的斷開和閉合來代表0和1，這些就是存儲電路的基本邏輯構(gòu)成，隨著集成電路的出現(xiàn)，ROM存儲技術(shù)也隨之產(chǎn)生。如下簡要了解存儲技術(shù)的發(fā)展史：二、ROMROM是Read Only Memory的簡稱，即為只讀存儲器。ROM內(nèi)部的程序是在ROM的制造時被燒錄進(jìn)去的，其中的內(nèi)容只能讀不能改，一旦燒錄進(jìn)去，用戶只能讀取內(nèi)部的數(shù)據(jù)，不能再作任何修改。如果發(fā)現(xiàn)ROM的內(nèi)容寫錯，則該ROM芯片只能報廢。由于ROM是在生產(chǎn)線上生產(chǎn)的，由于成本高，一般只用在大批量應(yīng)用的場合。三、PROM由于ROM在出廠時已被固化，用

3、戶無法定制自己的程序和數(shù)據(jù)，因此進(jìn)行了改進(jìn)，出現(xiàn)了PROM（Programmable ROM，可編程ROM）。也就是出廠時ROM里面沒有數(shù)據(jù)即全為1，用戶可以用專用工具進(jìn)行固化程序數(shù)據(jù)到ROM中，但是這種機(jī)會只有一次，一旦寫入后也無法修改，若是出了錯誤，已寫入的芯片也只能報廢。四、EPROMPROM這種只能一次性編程顯然成本高不符合開發(fā)需求，因此EPROM（Erasable Programmable ROM，可擦除可編程ROM）芯片出現(xiàn)，通過紫外線可重復(fù)擦除和寫入，解決了PROM芯片只能寫入一次的弊端。EPROM芯片有一個很明顯的特征，在其正面的陶瓷封裝上，開有一個玻璃窗口，透過該窗口，可以看

4、到其內(nèi)部的集成電路，紫外線透過該孔照射內(nèi)部芯片就可以擦除其內(nèi)的數(shù)據(jù)，完成芯片擦除的操作要用到EPROM擦除器。EPROM的型號有以27開頭的系列，如2764(8*8K)是一片64K Bits容量的EPROM芯片。EPROM芯片在寫入程序后，還要以不透光的貼紙或膠布把窗口封住，以免受到周圍的紫外線照射而使程序丟失。四、EEPROM雖然EPROM可多次擦除編程，但是由于需要編程器，所以EPROM還是不是很方便使用，因此 EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM，電可擦除可編程ROM）隨著產(chǎn)生。EEPROM的擦除不需要借助于其它設(shè)備，它是以電子信號來

5、修改其內(nèi)容的，而且是以Byte為最小修改單位，不需要全部擦除再寫入，很適合嵌入式設(shè)備的外部存儲器。目前EEPROM還有在使用，以Ateml公司的AT24C系列的CMOS E2PROM為例，其采用IIC通信接口，電壓1.8-3.6V，嵌入式設(shè)備應(yīng)用很廣泛。五、FlashFlash目前主要是Intel于1988年開發(fā)出的NOR flash技術(shù)和1989年東芝公司開發(fā)的NAND flash技術(shù)；它們的出現(xiàn)徹底改變了存儲器市場上由EPROM（Erasable Programmable Read-Only-Memory電可編程序只讀存儲器）和EEPROM（電可擦只讀存儲器Electrically Era

6、sable Programmable Read - Only Memory）一統(tǒng)天下的局面。這兩種技術(shù)區(qū)別在于接口與內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu)。在接口方面，NOR flash有獨(dú)立的地址與數(shù)據(jù)線，而NAND flash沒有，他們的特性區(qū)別如下表所示：內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面（基于SLC NAND），如下表所示區(qū)別：5.1、nor flashNOR Flash最大特點(diǎn)是支持XIP(Execute On Chip），既程序可以直接在NOR flash的片內(nèi)執(zhí)行，在NOR Flash中的代碼運(yùn)行時不需要重定位復(fù)制到RAM內(nèi)。如上圖所示Nor Flash，型號為MX29LV160。NOR Flash的地址線和數(shù)據(jù)線分開，只要能

7、夠提供數(shù)據(jù)地址，數(shù)據(jù)總線就能正確給出數(shù)據(jù)。不過不能直接對它進(jìn)行寫操作，執(zhí)行寫操作之前需要先發(fā)送固定的命令序列，然后發(fā)送寫操作的地址和數(shù)據(jù)。NOR Flash存儲器的最小訪問單元一般分為8位和16位的，也有一些NOR Flash器件同時支持8位和16位模式，這種Flash的位寬可以在設(shè)計硬件時選擇，當(dāng)芯片的BYTE#引腳接為高電平，芯片工作在位寬16位模式，BYTE#引腳設(shè)為低電平時，芯片工作在位寬8位模式。NOR Flash一般有多個扇區(qū)，扇區(qū)是NOR Flash擦除的最小單位，Nor Flash中每個扇區(qū)的大小也不是固定的。MX29LV160為例，寫時序圖如下所示（地址與數(shù)據(jù)總線是獨(dú)立的）：

8、讀時序圖如下所示，具體可參考數(shù)據(jù)手冊：5.2、nand flash5.2.1、nand類型Nand flash是現(xiàn)在使用最多的閃存技術(shù)，現(xiàn)在主流的SD卡、eMMC、UFS、SSD等都是基于Nand flash技術(shù)的。但是Nand flash根據(jù)其存儲單元的類型，可分為SLC、MLC、TLC、QLC、PLC、 后續(xù)會有很多類型的LC系列。這些類型的區(qū)別是同一個存儲單元可以表示的數(shù)據(jù)位數(shù)不同，以SLC、MLC、TLC、QLC為例如下圖所示：SLC：一個單元表示1bit數(shù)據(jù)；MLC：一個單元表示2bit數(shù)據(jù)；MLC：一個單元表示3bit數(shù)據(jù)；QLC：一個單元表示4bit數(shù)據(jù)；因此同樣尺寸大小的nan

9、d flash，基于QLC可以存儲的容量是SLC的4倍之多。但是雖然存儲容量多，但是在讀寫速率、擦除壽命及穩(wěn)定性上卻是更低的，目前市面上比較多的是基于SLC、MLC、TLC單元結(jié)構(gòu)的，特性對比如下：SLC讀寫快，壽命長，但價格貴，容量低；而TLC讀寫慢，壽命短，但價格便宜，容量高。所以市面上基于nand flash的產(chǎn)品中，低端產(chǎn)品大部分都是TLC，中端產(chǎn)品大部分都是mlc，企業(yè)級的高端產(chǎn)品就是用SLC，追求的是穩(wěn)定。5.2.2、2D與3D技術(shù)現(xiàn)在市場上追求的是設(shè)備的小型化，但是容量要求最大化，因此通過不斷地提升制程工藝技術(shù)，減小每個存儲單元的大小，如從45nm到16nm（目前最先進(jìn)制程為高通

10、驍龍888處理器達(dá)5nm），能到達(dá)同樣的芯片體積存儲容量進(jìn)行擴(kuò)大。但是制程提高也帶來了一個瓶頸，當(dāng)隨著制程工藝提高，每個存儲單元越小，nand單元顆粒的氧化層越薄，可靠性越低，特別是QLC這種一個存儲單元表示4bit/cell數(shù)據(jù)，影響更大。假設(shè)存儲單元電壓是 1.8V，對 SLC 而言，一個 bit 有二個狀態(tài)，平均分配 1.8V 電壓，每個狀態(tài)可以分到 0.9V；對 MLC 而言，四個狀態(tài)平均分配電壓，每個狀態(tài)可以分到 0.45V，以此類推，TLC 每個狀態(tài)只可以分到 0.225V，而 QLC 更慘，每個狀態(tài)只可以分到 0.1125V。在這么小的電壓下，這么多的狀態(tài)以極小的電壓區(qū)隔，電壓區(qū)

11、隔越小越難控制，干擾也越復(fù)雜，而這些問題都會影響 TLC 或 QLC 閃存的性能、可靠性及穩(wěn)定性。Nand 2D技術(shù)屬于平面閃存（Planar NAND）范疇，其通過工藝提高容量瓶頸在10/9nm上；因此Nand 3D技術(shù)早在2007年就被提出來，即立體結(jié)構(gòu)閃存。舉例說明：如果2D是平房，則3D就是高樓大廈，3D就是N層的2D閃存的堆疊，如上圖所示但是3D并不是簡單的進(jìn)行堆疊，不同的公司有不同3D技術(shù)工藝，在3D閃存中具有代表性的工藝有：也正因為3D NAND的技術(shù)，使得部分采用相應(yīng)技術(shù)的TLC產(chǎn)品達(dá)到了MLC的性能，就是我們常說的3D TLC。而三星、美光等大廠的第四代顆粒3D QLC產(chǎn)品也

12、已經(jīng)投入了市場，讓廣大消費(fèi)者體驗到了更高的容量、更低的價格、更快的讀寫性能。隨著3D Nand的出現(xiàn)，2D由于無法在縮小單元尺寸的瓶頸限制，已經(jīng)走到盡頭，現(xiàn)在最新的3D堆疊層數(shù)達(dá)到了128層，如下圖所示：5.2.3、nand接口與時序Nand flash比nor flash寫/擦除快，壽命長，成本低，得到更加廣泛的應(yīng)用，但是其沒有獨(dú)立地址總線與數(shù)據(jù)總線，地址與數(shù)據(jù)共用8bit/16bit IO，因此其讀取速率方面比nor略低一些。以美光MT29F系列nand flash為例（如MT29F16G08），其復(fù)用8bit或16bit IO用于傳輸命令、地址、數(shù)據(jù)，同時有5組控制信號CE#,CLE,A

13、LE,WE#,RE#，還有WP寫保護(hù)與R/B狀態(tài)信號線。各個引腳功能描述如下表所示：寫命令時序：寫地址時序：數(shù)據(jù)寫入時序：數(shù)據(jù)讀取時序：以上讀寫MT29F系列芯片的具體命令與地址信息組成可參考MT29F系列的規(guī)格書，網(wǎng)盤地址為：后臺回復(fù)：MT29F六、MMC與SD系列存儲卡6.1、存儲卡發(fā)展簡介Nand Flash的出現(xiàn)使得數(shù)據(jù)存儲得到快速的發(fā)展，但是Nand Flash只是一種存儲介質(zhì)，要在其上讀寫數(shù)據(jù)，需要外部加上主控和電路設(shè)計，因此會影響到讀寫速率的提升，同時也是有點(diǎn)復(fù)雜。基于此，控制器+Nand Flash組合的存儲結(jié)構(gòu)模式開始出現(xiàn)，控制器用于處理Nand Flash的存儲邏輯，同時也

14、可以管理NAND的壞塊、ECC校驗等，解放了外部主芯片的工作，提高了開發(fā)效率。于是，MMC卡、SD卡(TF卡)、eMMC卡、UFS等各種接口卡開始出現(xiàn)。MMC是比較早出現(xiàn)的一種卡類型，其所定義的總線接口類型及通信協(xié)議規(guī)范，后續(xù)都被SD卡規(guī)范及eMMC規(guī)范繼承和延續(xù)，參考如下圖：首先，在1997年，西門子公司和SanDisk推出MMC（MultiMedia Card）卡，成立了MMC協(xié)會（MultiMedia Card Association簡稱MMCA），MMC的發(fā)展目標(biāo)主要是針對數(shù)碼影像、音樂、手機(jī)、PDA、電子書、玩具等產(chǎn)品。其次，在1999年，日本松下、東芝及美國SanDisk公司共同開

15、發(fā)研制了SD（Secure Digital Memory Card）卡，在MMC卡基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了總線協(xié)議，支持?jǐn)?shù)據(jù)存儲的安全性。后續(xù)Mini SD（Mini Secure Digital Memory Card）從SD卡發(fā)展而來，體積是SD卡60%，性能跟SD卡一樣；在2004年，摩托羅拉與SANDISK共同研發(fā)TF卡（TransFLash），體積更是只有SD卡的1/4，因此，后續(xù)早期智能手機(jī)的容量擴(kuò)展都是用來TF卡。早期SD規(guī)范只是針對數(shù)據(jù)存儲，即只連接SD卡；后面制定了SDIO規(guī)范，除了可以外接SD卡外，通過SD總線還可以連接外圍其他IO設(shè)備，如WiFi card，Bluetooth ca

16、rd，GPS card等，因此現(xiàn)在SDIO接口基本上可以兼容SD卡與MMC卡。2010年，隨著智能手機(jī)的發(fā)展，需要更快速率的數(shù)據(jù)存儲，因此新的eMMC（Embedded Multi Media Card）規(guī)范也發(fā)展起來，在2011年至2016年，智能手機(jī)的存儲FLASH主要基于eMMC接口；而2016年后，更快的UFS規(guī)范的出現(xiàn)，將eMMC替換，UFS成為當(dāng)下智能手機(jī)的主要存儲FLASH。6.2、存儲卡接口1、MMC接口：MMC卡接口共只有7針，支持SPI模式與MMC模式，3根電源線，4根通信線，如下圖所示，分別是SPI模式（Do,Di,CLK,CS）與MMC模式（CMD,DAT,CLK），所

17、以MMC只支持單根數(shù)據(jù)線。2、SD接口SD接口從MMC中擴(kuò)展而來，增加到了9針，SD卡大小和MMC卡差不多，比MMC稍微厚一點(diǎn)，其也是有分為SPI模式與SD模式，其中SD模式有1線和4線模式，1線模式可兼容MMC卡的MMC模式。上圖描述了SD與MMC接口的對于關(guān)系，MMC卡可以通過轉(zhuǎn)換適配器當(dāng)作SD卡使用（即使用SD卡1線模式），SD接口個引腳含有如下表：3、TF卡接口TF卡接口是SD卡接口的延續(xù)，只有8針，在SD接口上少第3腳VSS1，其它與SD接口一致。TF也稱為microSD卡，因此可以通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為SD使用。TF卡也支持SPI模式與SD模式，跟SD卡一致，但是體積比SD卡小很多。4、e

18、MMC接口eMMC接口有MMC發(fā)展而來，也是由MMC協(xié)會訂立，其數(shù)據(jù)總線擴(kuò)展到了8位，主要應(yīng)用是對存儲容量有較高要求的消費(fèi)電子產(chǎn)品，比如手機(jī)。隨著eMMC規(guī)范版本的升級，其通信速率也不斷的提高，最大速率可達(dá)400MB/s，如下表所示，在UFS出現(xiàn)前，智能手機(jī)存儲器基本上是基于eMMC接口。5、UFS接口UFS（Universal Flash Storage）是JEDEC發(fā)布的新一代通用閃存存儲標(biāo)準(zhǔn)，包括主機(jī)側(cè)和內(nèi)存芯片側(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。物理層是MIPI M-PHY，接口協(xié)議是SCSI。如上圖所示，下行數(shù)據(jù)流DOUT與上行數(shù)據(jù)流DIN是獨(dú)立的，走差分信號，因此可以進(jìn)行全雙工通信，相比與eMMC的半雙工，速率提高幾倍，因此現(xiàn)在市面高端智能手機(jī)基本都是UFS存儲，最新小米11使用的是UFS3