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一、存儲數據的原理
兩種閃存都是用三端器件作為存儲單元，分別為源極、漏極和柵極，與場(chǎng)效應管的工作原理相同，主要是利用電場(chǎng)的效應來(lái)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(chǎng)效應管為單柵極結構，而FLASH為雙柵極結構，在柵極與硅襯底之間增加了一個(gè)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。
二、浮柵的重放電
向數據單元內寫(xiě)入數據的過(guò)程就是向電荷勢阱注入電荷的過(guò)程，寫(xiě)入數據有兩種技術(shù)，熱電子注入(hot electron injection)和F-N隧道效應(Fowler Nordheim tunneling)，前一種是通過(guò)源極給浮柵充電，后一種是通過(guò)硅基層給浮柵充電。NOR型FLASH通過(guò)熱電子注入方式給浮柵充電，而NAND則通過(guò) F-N隧道效應給浮柵充電。
在寫(xiě)入新數據之前，必須先將原來(lái)的數據擦除，這點(diǎn)跟硬盤(pán)不同，也就是將浮柵的電荷放掉，兩種FLASH都是通過(guò)F-N隧道效應放電。
三、0和1
這方面兩種FLASH一樣，向浮柵中注入電荷表示寫(xiě)入了‘0‘，沒(méi)有注入電荷表示‘1‘，所以對FLASH清除數據是寫(xiě)1的，這與硬盤(pán)正好相反；
對于浮柵中有電荷的單元來(lái)說(shuō)，由于浮柵的感應作用，在源極和漏極之間將形成帶正電的空間電荷區，這時(shí)無(wú)論控制極上有沒(méi)有施加偏置電壓，晶體管都將處于 導通狀態(tài)。而對于浮柵中沒(méi)有電荷的晶體管來(lái)說(shuō)只有當控制極上施加有適當的偏置電壓，在硅基層上感應出電荷，源極和漏極才能導通，也就是說(shuō)在沒(méi)有給控制極施 加偏置電壓時(shí)，晶體管是截止的。
如果晶體管的源極接地而漏極接位線(xiàn)，在無(wú)偏置電壓的情況下，檢測晶體管的導通狀態(tài)就可以獲得存儲單元中的數據，如果位線(xiàn)上的電平為低，說(shuō)明晶體管處于 導通狀態(tài)，讀取的數據為0，如果位線(xiàn)上為高電平，則說(shuō)明晶體管處于截止狀態(tài)，讀取的數據為1。由于控制柵極在讀取數據的過(guò)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(huì )改變FLASH中原有的數據。
四、連接和編址方式
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(shí)間并不是對每個(gè)單元進(jìn)行單獨的存取操作，而是對一定數量的存取單元進(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)行統一編址。
NAND的全部存儲單元分為若干個(gè)塊，每個(gè)塊又分為若干個(gè)頁(yè)，每個(gè)頁(yè)是512byte，就是512個(gè)8位數，就是說(shuō)每個(gè)頁(yè)有512條位線(xiàn)，每條位線(xiàn)下 有8個(gè)存儲單元；那么每頁(yè)存儲的數據正好跟硬盤(pán)的一個(gè)扇區存儲的數據相同，這是設計時(shí)為了方便與磁盤(pán)進(jìn)行數據交換而特意安排的，那么塊就類(lèi)似硬盤(pán)的簇；容 量不同，塊的數量不同，組成塊的頁(yè)的數量也不同。在讀取數據時(shí)，當字線(xiàn)和位線(xiàn)鎖定某個(gè)晶體管時(shí)，該晶體管的控制極不加偏置電壓，其它的7個(gè)都加上偏置電壓 而導通，如果這個(gè)晶體管的浮柵中有電荷就會(huì )導通使位線(xiàn)為低電平，讀出的數就是0，反之就是1。
NOR的每個(gè)存儲單元以并聯(lián)的方式連接到位線(xiàn)，方便對每一位進(jìn)行隨機存??；具有專(zhuān)用的地址線(xiàn)，可以實(shí)現一次性的直接尋址；縮短了FLASH對處理器指令的執行時(shí)間。
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NOR和NAND是現在市場(chǎng)上兩種主要的非易失閃存技術(shù)。Intel于1988年首先開(kāi)發(fā)出NOR flash技術(shù)，徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統天下的局面。緊接著(zhù)，1989年，東芝公司發(fā)表了NAND flash結構，強調降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盤(pán)一樣可以通過(guò)接口輕松升級。但是經(jīng)過(guò)了十多年之后，仍然有相當多的硬件工程師分不清NOR和NAND閃存。
相“flash存儲器”經(jīng)?？梢耘c相“NOR存儲器”互換使用。許多業(yè)內人士也搞不清楚NAND閃存技術(shù)相對于NOR技術(shù)的優(yōu)越之處，因為大多數情況下閃存只是用來(lái)存儲少量的代碼，這時(shí)NOR閃存更適合一些。而NAND則是高數據存儲密度的理想解決方案。
NOR的特點(diǎn)是芯片內執行(XIP, eXecute In Place)，這樣應用程序可以直接在flash 閃存內運行，不必再把代碼讀到系統RAM中。NOR的傳輸效率很高，在1～4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，但是很低的寫(xiě)入和擦除速度大大影響了它的性能。
NAND結構能提供極高的單元密度，可以達到高存儲密度，并且寫(xiě)入和擦除的速度也很快。應用NAND的困難在于flash的管理和需要特殊的系統接口。
性能比較
flash閃存是非易失存儲器，可以對稱(chēng)為塊的存儲器單元塊進(jìn)行擦寫(xiě)和再編程。任何flash器件的寫(xiě)入操作只能在空或已擦除的單元內進(jìn)行，所以大多數情況下，在進(jìn)行寫(xiě)入操作之前必須先執行擦除。NAND器件執行擦除操作是十分簡(jiǎn)單的，而NOR則要求在進(jìn)行擦除前先要將目標塊內所有的位都寫(xiě)為0。
由于擦除NOR器件時(shí)是以64～128KB的塊進(jìn)行的，執行一個(gè)寫(xiě)入/擦除操作的時(shí)間為5s，與此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的塊進(jìn)行的，執行相同的操作最多只需要4ms。
執行擦除時(shí)塊尺寸的不同進(jìn)一步拉大了NOR和NADN之間的性能差距，統計表明，對于給定的一套寫(xiě)入操作(尤其是更新小文件時(shí))，更多的擦除操作必須在基于NOR的單元中進(jìn)行。這樣，當選擇存儲解決方案時(shí)，設計師必須權衡以下的各項因素。
● NOR的讀速度比NAND稍快一些。
● NAND的寫(xiě)入速度比NOR快很多。
● NAND的4ms擦除速度遠比NOR的5s快。
● 大多數寫(xiě)入操作需要先進(jìn)行擦除操作。
● NAND的擦除單元更小，相應的擦除電路更少。
From : globalsources
對于許多消費類(lèi)音視頻產(chǎn)品而言，NAND閃存是一種比硬盤(pán)驅動(dòng)器更好的存儲方案，這在不超過(guò)4GB的低容量應用中表現得猶為明顯。隨著(zhù)人們持續追求功耗更低、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的區塊(block)，這些區塊是NAND器件中最小的可擦除實(shí)體。擦除一個(gè)區塊就是把所有的位(bit)設置為“1”(而所有字節(byte)設置為FFh)。有必要通過(guò)編程，將已擦除的位從“1”變?yōu)?#8220;0”。最小的編程實(shí)體是字節(byte)。一些NOR閃存能同時(shí)執行讀寫(xiě)操作(見(jiàn)下圖1)。雖然NAND不能同時(shí)執行讀寫(xiě)操作，它可以采用稱(chēng)為“映射(shadowing)”的方法，在系統級實(shí)現這一點(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，是因為NAND串中沒(méi)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)單元都需要獨立的金屬觸點(diǎn)。NAND與硬盤(pán)驅動(dòng)器類(lèi)似，基于扇區(頁(yè))，適合于存儲連續的數據，如圖片、音頻或個(gè)人電腦數據。雖然通過(guò)把數據映射到RAM上，能在系統級實(shí)現隨機存取，但是，這樣做需要額外的RAM存儲空間。此外，跟硬盤(pán)一樣，NAND器件存在壞的扇區，需要糾錯碼(ECC)來(lái)維持數據的完整性。
存儲單元面積越小，裸片的面積也就越小。在這種情況下，NAND就能夠為當今的低成本消費市場(chǎng)提供存儲容量更大的閃存產(chǎn)品。NAND閃存用于幾乎所有可擦除的存儲卡。NAND的復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計工程師無(wú)須改變電路板的硬件設計，就能從更小的密度移植到更大密度的設計上。
NAND與NOR閃存比較
NAND閃存的優(yōu)點(diǎn)在于寫(xiě)(編程)和擦除操作的速率快，而NOR的優(yōu)點(diǎn)是具有隨機存取和對字節執行寫(xiě)(編程)操作的能力(見(jiàn)下圖圖2)。NOR的隨機存取能力支持直接代碼執行(XiP)，而這是嵌入式應用經(jīng)常需要的一個(gè)功能。NAND的缺點(diǎn)是隨機存取的速率慢，NOR的缺點(diǎn)是受到讀和擦除速度慢的性能制約。NAND較適合于存儲文件。如今，越來(lái)越多的處理器具備直接NAND接口，并能直接從NAND(沒(méi)有NOR)導入數據。
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(guò)5Mbps的持續寫(xiě)操作，其區塊擦除時(shí)間短至2ms，而NOR是750ms。顯然，NAND在某些方面具有絕對優(yōu)勢。然而，它不太適合于直接隨機存取。
對于16位的器件，NOR閃存大約需要41個(gè)I/O引腳；相對而言，NAND器件僅需24個(gè)引腳。NAND器件能夠復用指令、地址和數據總線(xiàn)，從而節省了引腳數量。復用接口的一項好處，就在于能夠利用同樣的硬件設計和電路板，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(hù)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：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(lái)支持較高的密度。
圖1 不同閃存單元的對比
圖2 NOR閃存的隨機存取時(shí)間為0.12ms，而NAND閃存的第一字節隨機存取速度要慢得多
NAND基本操作
以2Gb NAND器件為例，它由2048個(gè)區塊組成，每個(gè)區塊有64個(gè)頁(yè)(見(jiàn)圖3)。
圖3 2GB NAND閃存包含2,048個(gè)區塊
每一個(gè)頁(yè)均包含一個(gè)2048字節的數據區和64字節的空閑區，總共包含2,112字節?？臻e區通常被用于ECC、耗損均衡(wear leveling)和其它軟件開(kāi)銷(xiāo)功能，盡管它在物理上與其它頁(yè)并沒(méi)有區別。NAND器件具有8或16位接口。通過(guò)8或16位寬的雙向數據總線(xiàn)，主數據被連接到NAND存儲器。在16位模式，指令和地址僅僅利用低8位，而高8位僅僅在數據傳輸周期使用。
擦除區塊所需時(shí)間約為2ms。一旦數據被載入寄存器，對一個(gè)頁(yè)的編程大約要300μs。讀一個(gè)頁(yè)面需要大約25μs，其中涉及到存儲陣列訪(fǎng)問(wèn)頁(yè)，并將頁(yè)載入16,896位寄存器中。
除了I/O總線(xiàn)，NAND接口由6個(gè)主要控制信號構成：
1.芯片啟動(dòng)(Chip Enable, CE#)：如果沒(méi)有檢測到CE信號，那么，NAND器件就保持待機模式，不對任何控制信號作出響應。
2.寫(xiě)使能(Write Enable, WE#): WE#負責將數據、地址或指令寫(xiě)入NAND之中。
3.讀使能(Read Enable, RE#): RE#允許輸出數據緩沖器。
4.指令鎖存使能(Command Latch Enable, CLE): 當CLE為高時(shí)，在WE#信號的上升沿，指令被鎖存到NAND指令寄存器中。
5.地址鎖存使能(Address Latch Enable, ALE)：當ALE為高時(shí)，在WE#信號的上升沿，地址被鎖存到NAND地址寄存器中。
6.就緒/忙(Ready/Busy, R/B#)：如果NAND器件忙，R/B#信號將變低。該信號是漏極開(kāi)路，需要采用上拉電阻。
數據每次進(jìn)/出NAND寄存器都是通過(guò)16位或8位接口。當進(jìn)行編程操作的時(shí)候，待編程的數據進(jìn)入數據寄存器，處于在WE#信號的上升沿。在寄存器內隨機存取或移動(dòng)數據，要采用專(zhuān)用指令以便于隨機存取。
數據寄存器輸出數據的方式與利用RE#信號的方式類(lèi)似，負責輸出現有的數據，并增加到下一個(gè)地址。WE#和RE#時(shí)鐘運行速度極快，達到30ns的水準。當RE#或CE#不為低的時(shí)候，輸出緩沖器將為三態(tài)。這種CE#和RE#的組合使能輸出緩沖器，容許NAND閃存與NOR、SRAM或DRAM等其它類(lèi)型存儲器共享數據總線(xiàn)。該功能有時(shí)被稱(chēng)為“無(wú)需介意芯片啟動(dòng)(chip enable don‘t care)”。這種方案的初衷是適應較老的NAND器件，它們要求CE#在整個(gè)周期為低(譯注：根據上下文改寫(xiě))。
圖4 輸入寄存器接收到頁(yè)編程(80h)指令時(shí)，內部就會(huì )全部重置為1s，使得用戶(hù)可以只輸入他想以0位編程的數據字節
圖5 帶有隨機數據輸入的編程指令。圖中加亮的扇區顯示，該指令只需要后面跟隨著(zhù)數據的2個(gè)字節的地址
所有NAND操作開(kāi)始時(shí)，都提供一個(gè)指令周期(表1)。
當輸出一串WE#時(shí)鐘時(shí)，通過(guò)在I/O位7：0上設置指令、驅動(dòng)CE#變低且CLE變高，就可以實(shí)現一個(gè)指令周期。注意：在WE#信號的上升沿上，指令、地址或數據被鎖存到NAND器件之中。如表1所示，大多數指令在第二個(gè)指令周期之后要占用若干地址周期。注意：復位或讀狀態(tài)指令例外，如果器件忙，就不應該發(fā)送新的指令。
以2Gb NAND器件的尋址方案為例，第一和第二地址周期指定列地址，該列地址指定頁(yè)內的起始字節(表2)。
注意：因為最后一列的位置是2112，該最后位置的地址就是08h(在第二字節中)和3Fh(在第一字節中)。PA5:0指定區塊內的頁(yè)地址，BA16:6指定區塊的地址。雖然大多編程和讀操作需要完整的5字節地址，在頁(yè)內隨機存取數據的操作僅僅用到第一和第二字節。塊擦除操作僅僅需要三個(gè)最高字節(第三、第四和第五字節)來(lái)選擇區塊。
圖6 典型的存儲方法
圖7 頁(yè)讀緩存模式
總體而言，NAND的基本操作包括：復位(Reset, FFh)操作、讀ID(Read ID, 00h)操作、讀狀態(tài)(Read Status, 70h)操作、編程(Program)操作、隨機數據輸入(Random data input, 85h)操作和讀(Read)操作等。
將NAND連接到處理器
選擇內置NAND接口的處理器或控制器的好處很多。如果沒(méi)有這個(gè)選擇，有可能在NAND和幾乎任何處理器之間設計一個(gè)“無(wú)粘接邏輯(glueless)”接 口。NAND和NOR閃存的主要區別是復用地址和數據總線(xiàn)。該總線(xiàn)被用于指定指令、地址或數據。CLE信號指定指令周期，而ALE信號指定地址周期。利用這兩個(gè)控制信號，有可能選擇指令、地址或數據周期。把ALE連接到處理器的第五地址位，而把CLE連接到處理器的第四地址位，就能簡(jiǎn)單地通過(guò)改變處理器輸出的地址，任意選擇指令、地址或數據。這容許CLE和ALE在合適的時(shí)間自動(dòng)設置為低。
為了提供指令，處理器在數據總線(xiàn)上輸出想要的指令，并輸出地址0010h；為了輸出任意數量的地址周期，處理器僅僅要依次在處理器地址0020h之后輸出想要的NAND地址。注意，許多處理器能在處理器的寫(xiě)信號周?chē)付ㄈ舾蓵r(shí)序參數，這對于建立合適的時(shí)序是至關(guān)重要的。利用該技術(shù)，你不必采用任何粘接邏輯，就可以直接從處理器存取指令、地址和數據。
多層單元
編程或擦除操作之后，重要的是讀狀態(tài)寄存器，因為它確認是否成功地完成了編程或擦除操作。如果操作失敗，要把該區塊標記為損壞且不能再使用。以前已編寫(xiě)進(jìn)去的數據要從損壞的區塊中搬出，轉移到新的(好的)存儲塊之中。2Gb NAND的規范規定，它可以最多有40個(gè)壞的區塊，這個(gè)數字在器件的生命周期(額定壽命為10萬(wàn)次編程/擦除周期)內都適用。一些有壞塊的NAND器件能夠出廠(chǎng)，主要就歸根于其裸片面積大。管理器件的軟件負責映射壞塊并由好的存儲塊取而代之。
利用工廠(chǎng)對這些區塊的標記，軟件通過(guò)掃描塊可以確定區塊的好壞。壞塊標記被固定在空閑區的第一個(gè)位置(列地址2048)。如果在0或1頁(yè)的列地址2048上的數據是“non-FF”，那么，該塊要標記為壞，并映射出系統。初始化軟件僅僅需要掃描所有區塊確定以確定哪個(gè)為壞，然后建一個(gè)壞塊表供將來(lái)參考。
小心不要擦除壞塊標記，這一點(diǎn)很重要。工廠(chǎng)在寬溫和寬電壓范圍內測試了NAND；一些由工廠(chǎng)標記為壞的區塊可能在一定的溫度或電壓條件下仍然能工作，但是，將來(lái)可能會(huì )失效。如果壞塊信息被擦除，就無(wú)法再恢復數據。
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