NAND閃存深入解析

　　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)椤?”。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?。?F2：10F2）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6？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6？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16，8？6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