nand 闪存_深入解析NAND闪存

对于很多消费影音产品来说，NAND闪存是比硬盘更好的存储方案，这一点在4GB以下的低容量应用中尤为明显。随着人们不断追求功耗更低、重量更轻、性能更好的产品，NAND被证明是非常有吸引力的。

NAND闪存阵列被分成一系列128kB的块，这些块是NAND设备中最小的可擦除实体。擦除一个块意味着将所有位设置为“1”(并将所有字节设置为FFh)。需要通过编程将被擦除的位从“1”改变为“0”。最小的编程实体是一个字节。一些NOR闪存可以同时读写(见下图1)。虽然NAND不能同时读写，但它可以通过一种叫做“阴影”的方法在系统级实现这一点。这种方法在个人电脑中已经使用了很多年，就是将BIOS从低速rom加载到高速RAM中。

NAND的效率很高，因为在NAND串中没有金属接触。NAND闪存单元的尺寸小于NOR (4F2:10F2)的原因是NOR的每个单元需要独立的金属接触。与硬盘驱动器类似，NAND是基于扇区(页)的，适合存储连续数据，如图片、音频或个人计算机数据。虽然通过将数据映射到RAM可以在系统级实现随机访问，但这需要额外的RAM存储空间。此外，与硬盘一样，NAND设备也有坏扇区，需要纠错码(ECC)来保持数据完整性。

存储单元面积越小，管芯面积越小。在这种情况下，NAND可以为当今的低成本消费市场提供更大存储容量的闪存产品。NAND闪存用于几乎所有的可擦除存储卡。NAND的多路复用接口为所有最新的设备和密度提供了类似的引脚输出。此引脚输出使设计工程师能够从较小密度的设计移植到较大密度的设计，而无需改变电路板的硬件设计。

与NOR闪存相比，NAND闪存具有快速写入(编程)和擦除操作的优势，而NOR具有随机存取和写入(编程)字节的能力的优势(参见下面的图图2)。NOR的随机访问能力支持直接代码执行(XiP)，这是嵌入式应用程序经常需要的功能。NAND的缺点是随机存取速度慢，NOR的缺点是受读取和擦除速度慢的制约。NAND更适合存储文件。现在越来越多的处理器有直接的NAND接口，可以直接从NAND导入数据(不用NOR)。

NAND真正的好处是编程速度快，擦除时间短。NAND支持速率超过5Mbps的连续写操作，其块擦除时间短至2ms，NOR则为750 ms.显然，NAND在某些方面具有绝对优势。但是，它不适合直接随机访问。

对于16位器件，NOR闪存大约需要41个I/O引脚；相比较而言，NAND设备只需要24针。NAND设备可以重复使用指令、地址和数据总线，从而节省引脚数量。复用接口的一个优点是，它可以使用相同的硬件设计和电路板来支持更大的n and设备。由于普通的TSOP-1封装已经使用多年，该功能允许客户将高密度NAND设备移植到同一电路板上。NAND设备的另一个好处显然是它们的封装选项：NAND提供了一个厚膜2Gb芯片，或者可以支持多达四个堆叠的芯片，允许一个8Gb设备堆叠在同一个TSOP-1封装中。这使得封装和接口能够在未来支持更高的密度。

图1不同闪存单元的比较

图2中NOR闪存的随机存取时间为0.12ms，而NAND闪存的第一个字节的随机存取速度要慢得多。

NAND的基本操作以一个2Gb的NAND设备为例，它由2048个块组成，每个块有6？页面(参见图3)。

图3 2GB NAND闪存包含2，048个块。

每页包含一个2048字节的数据区和6？字节的可用空间，总共2，112字节。空闲区域通常用于ECC、损耗均衡和其他软件开销功能，尽管它在物理上与其他页面没有什么不同。NAND设备有8位或16位接口。主数据通过8或16位宽的双向数据总线连接到NAND存储器。在16位模式下，指令和地址仅使用低8位，而高8位仅用于数据传输周期。

擦除该块大约需要2毫秒。数据载入寄存器后，编程一页大约需要300s。读取一页大约需要25s，这涉及存储阵列访问该页并将该页加载到16、8？在6位寄存器中。

除了I/O总线，NAND接口还包括六个主要控制信号：

1.芯片使能(CE#):如果未检测到CE信号，则NAND设备保持待机模式，并且不响应任何控制信号。

2.写使能(we #): We #负责将数据、地址或指令写入NAND。

3.读使能(Re #): Re #允许输出数据缓冲器。

4.命令锁存使能(CLE):当CLE为高时，指令在WE#信号的上升沿被锁存到NAND指令寄存器中。

5.数据锁存使能(ALE):当ALE为高电平时，地址在WE#信号的上升沿锁存到NAND地址寄存器中。

6.就绪/忙(R/B#):如果NAND设备忙，R/B#信号将变低。信号为开漏，需要一个上拉电阻。

每次数据进出NAND寄存器时，都是通过16位或8位接口。编程时，要编程的数据进入数据寄存器，该寄存器位于WE#信号的上升沿。要随机存取或移动寄存器中的数据，应使用特殊指令来促进随机存取。

数据寄存器以类似于使用RE#信号的方式输出数据，负责输出现有数据并将其添加到下一个地址。WE#和RE#时钟运行速度非常快，达到30ns的水平。当RE#或CE#不低时，输出缓冲器将为三态。CE#和RE#的组合使能输出缓冲器，允许NAND闪存与NOR、SRAM或DRAM等其他类型的存储器共享数据总线。该功能有时被称为“芯片使能无关”。这个方案的初衷是为了适应更老的NAND设备，要求CE#在整个周期内都是低的。