本文转自:http://blog.163.com/starjj_embeded/blog/static/20450005120122170425898/
1. 硬件特性:
【Flash的硬件实现机制】
Flash全名叫做Flash Memory,属于非易失性存储设备(Non-volatile Memory Device),与此相对应的是易失性存储设备(Volatile Memory Device)。这类设备,除了Flash,还有其他比较常见的如硬盘,ROM等,
与此相对的,易失性就是断电了,数据就丢失了,比如大家常用的内存,不论是以前的SDRAM,DDR SDRAM,还是现在的DDR2,DDR3等,都是断电后,数据就没了。
Flash的内部存储是MOSFET,里面有个悬浮门(Floating
Gate),是真正存储数据的单元。
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
金属-氧化层-半导体-场效晶体管,简称金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor
Field-Effect Transistor, MOSFET)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。MOSFET依照其“通道”的极性不同,可分为n-type与p-type的MOSFET,通常又称为NMOSFET与PMOSFET,其他简称尚包括NMOS
FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
在Flash之前,紫外线可擦除(uv-erasable)的EPROM,就已经采用用Floating
Gate存储数据这一技术了。
图1.典型的Flash内存单元的物理结构
数据在Flash内存单元中是的。
存储电荷的多少,取决于图中的外部门(external gate)所被施加的电压,其控制了是向存储单元中冲入电荷还是使其释放电荷。
数据的表示,以所存储的电荷的电压是否超过一个特定的阈值Vth来表示。
【SLC和MLC的实现机制】
Nand Flash按照内部存储数据单元的电压的不同层次,也就是单个内存单元中,是存储1位数据,还是多位数据,可以分为SLC和MLC:
1. SLC,Single Level Cell:
单个存储单元,只存储一位数据,表示成1或0.
就是上面介绍的,对于数据的表示,单个存储单元中内部所存储电荷的电压,和某个特定的阈值电压Vth,相比,如果大于此Vth值,就是表示1,反之,小于Vth,就表示0.
对于nand Flash的数据的写入1,就是控制External
Gate去充电,使得存储的电荷够多,超过阈值Vth,就表示1了。而对于写入0,就是将其放电,电荷减少到小于Vth,就表示0了。
关于为何Nand Flash不能从0变成1,我的理解是,物理上来说,是可以实现每一位的,从0变成1的,但是实际上,对于实际的物理实现,出于效率的考虑,如果对于,每一个存储单元都能单独控制,即,0变成1就是,对每一个存储单元单独去充电,所需要的硬件实现就很复杂和昂贵,同时,所进行对块擦除的操作,也就无法实现之前的,一闪而过的速度了,也就失去了Flash的众多特性了。
// 也就是放电的思路还是容易些。1->0
2. MLC,Multi Level Cell:
与SLC相对应,就是单个存储单元,可以存储多个位,比如2位,4位等。其实现机制,说起来比较简单,就是,通过控制内部电荷的多少,分成多个阈值,通过控制里面的电荷多少,而达到我们所需要的存储成不同的数据。比如,假设输入电压是Vin=4V(实际没有这样的电压,此处只是为了举例方便),那么,可以设计出2的2次方=4个阈值,1/4的Vin=1V,2/4的Vin=2V,3/4的Vin=3V,Vin=4V,分别表示2位数据00,01,10,11,对于写入数据,就是充电,通过控制内部的电荷的多少,对应表示不同的数据。
对于读取,则是通过对应的内部的电流(与Vth成反比),然后通过一系列解码电路完成读取,解析出所存储的数据。这些具体的物理实现,都是有足够精确的设备和技术,才能实现精确的数据写入和读出的。
单个存储单元可以存储2位数据的,称作2的2次方=4
Level Cell,而不是2 Level Cell;
同理,对于新出的单个存储单元可以存储4位数据的,称作2的4次方=16
Level Cell。
【关于如何识别SLC还是MLC】
Nand Flash设计中,有个命令叫做Read ID,读取ID,意思是读取芯片的ID,就像大家的身份证一样,这里读取的ID中,是:
读取好几个字节,一般最少是4个,新的芯片,支持5个甚至更多,从这些字节中,可以解析出很多相关的信息,比如:
此Nand Flash内部是几个芯片(chip)所组成的,
每个chip包含了几片(Plane),
每一片中的页大小,块大小,等等。
在这些信息中,其中有一个,就是识别此flash是SLC还是MLC。下面这个就是最常见的Nand
Flash的datasheet中所规定的,第3个字节,3rd
byte,所表示的信息,其中就有SLC/MLC的识别信息:
|
Description |
I/O7 |
I/O6 |
I/O5 I/O4 |
I/O3 I/O2 |
I/O1 I/O0 |
Internal Chip Number |
1 2 4 8 |
|
|
|
|
0 0 0 1 1 0 1 1 |
Cell Type |
2 Level Cell 4 Level Cell 8 Level Cell 16 Level Cell |
|
|
|
0 0 0 1 1 0 1 1 |
|
Number of Simultaneously Programmed Pages |
1 2 4 8 |
|
|
0 0 0 1 1 0 1 1 |
|
|
Interleave Program Between multiple chips |
Not Support Support |
|
0 1 |
|
|
|
Cache Program |
Not Support Support |
0 1 |
|
|
|
|
表1.Nand Flash第3个ID的含义
【Nand Flash的物理存储单元的阵列组织结构】
Nand flash的内部组织结构,此处还是用图来解释,比较容易理解:
图2.Nand Flash物理存储单元的阵列组织结构
上图是K9K8G08U0A的datasheet中的描述。
简单解释就是:
1.一个nand flash由很多个块(Block)组成,
块的大小一般是
-> 128KB,
-> 256KB,
-> 512KB
此处是128KB。
2.每个块里面又包含了很多页(page)。每个页的大小,
老的nand flash,页大小是256B,512B,
这类的nand flash被称作small block,。地址周期只有4个。
对于现在常见的nand flash多数是2KB,
被称作big block,对应的发读写命令地址,一共5个周期(cycle),
更新的nand flash是4KB,
块,也是Nand Flash的擦除操作的基本/最小单位。
3.每一个页,对应还有一块区域,叫做空闲区域(spare area)/冗余区域(redundant
area),而Linux系统中,一般叫做OOB(Out
Of Band),这个区域,是最初基于Nand Flash的硬件特性:数据在读写时候相对容易错误,所以为了保证数据的正确性,必须要有对应的检测和纠错机制,此机制被叫做EDC(Error
Detection Co
页, 是Nand Flash的写入操作的基本/最小的单位。
【Nand Flash数据存储单元的整体架构】
简单说就是,常见的nand flash,内部只有一个chip,每个chip只有一个plane。
而有些复杂的,容量更大的nand flash,内部有多个chip,每个chip有多个plane。这类的nand
flash,往往也有更加高级的功能,比如下面要介绍的Multi Plane Program和Interleave Page Program等。
比如,型号为K9K8G08U0A这个芯片(chip),
内部有:
K9F4G08U0A (256MB) : Plane (1Gb), Plane (1Gb)
K9F4G08U0A (256MB) : Plane (1Gb), Plane (1Gb)
K9WAG08U1A ,内部包含了2个K9K8G08U0A
K9NBG08U5A ,内部包含了4个K9K8G08U0A
【Flash名称的由来】
Flash的擦除操作是以block块为单位的,与此相对应的是其他很多存储设备,是以bit位为最小读取/写入的单位,Flash是一次性地擦除整个块:在发送一个擦除命令后,一次性地将一个block,常见的块的大小是128KB/256KB。。,全部擦除为1,也就是里面的内容全部都是0xFF了,由于是一下子就擦除了,相对来说,擦除用的时间很短,可以用一闪而过来形容,所以,叫做Flash
Memory。中文有的翻译为(快速)闪存。
【Flash相对于普通设备的特殊性】
1. 上面提到过的,Flash最小操作单位,有些特殊。
一般设备,比如硬盘/内存,读取和写入都是以bit位为单位,读取一个bit的值,将某个值写入对应的地址的位,都是可以按位操作的。
但是Flash由于物理特性,使得内部存储的数据,只能从1变成0,这点,可以从前面的内部实现机制了解到,只是方便统一充电,不方便单独的存储单元去放电,所以才说,只能从1变成0,也就是释放电荷。
所以,总结一下Flash的特殊性如下:
|
普通设备(硬盘/内存等) |
Flash |
|
读取/写入的叫法 |
读取/写入 |
读取/编程(Program)① |
|
读取/写入的最小单位 |
Bit/位 |
Page/页 |
|
擦除(Erase)操作的最小单位 |
Bit/位 |
Block/块② |
|
擦除操作的含义 |
将数据删除/全部写入0 |
将整个块都擦除成全是1,也就是里面的数据都是0xFF③ |
|
对于写操作 |
|