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NAND flash和NOR flash的工作原理和嵌入式板子中用到的存储概念

 
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一、存储数据的原理


  两种闪存都是用三端器件作为存储单元,分别为源极、漏极和栅极,与场效应管的工作原理相同,主要是利用电场的效应来控制源极与漏极之间的通断,栅极的电流消耗极小,不同的是场效应管为单栅极结构,而FLASH为双栅极结构,在栅极与硅衬底之间增加了一个浮置栅极。

  浮置栅极是由氮化物夹在两层二氧化硅材料之间构成的,中间的氮化物就是可以存储电荷的电荷势阱。上下两层氧化物的厚度大于50埃,以避免发生击穿。


  二、浮栅的重放电


  向数据单元内写入数据的过程就是向电荷势阱注入电荷的过程,写入数据有两种技术,热电子注入(hot electron injection)和F-N隧道效应(Fowler Nordheim tunneling),前一种是通过源极给浮栅充电,后一种是通过硅基层给浮栅充电。NOR型FLASH通过热电子注入方式给浮栅充电,而NAND则通过F-N隧道效应给浮栅充电。


  在写入新数据之前,必须先将原来的数据擦除,这点跟硬盘不同,也就是将浮栅的电荷放掉,两种FLASH都是通过F-N隧道效应放电。

NAND flash的写入和擦除

NOR flash的写入和擦除

三、0和1


  这方面两种FLASH一样,向浮栅中注入电荷表示写入了'0',没有注入电荷表示'1',所以对FLASH清除数据是写1的,这与硬盘正好相反;


  对于浮栅中有电荷的单元来说,由于浮栅的感应作用,在源极和漏极之间将形成带正电的空间电荷区,这时无论控制极上有没有施加偏置电压,晶体管都将处于导通状态。而对于浮栅中没有电荷的晶体管来说只有当控制极上施加有适当的偏置电压,在硅基层上感应出电荷,源极和漏极才能导通,也就是说在没有给控制极施加偏置电压时,晶体管是截止的。


  如果晶体管的源极接地而漏极接位线,在无偏置电压的情况下,检测晶体管的导通状态就可以获得存储单元中的数据,如果位线上的电平为低,说明晶体管处于导通状态,读取的数据为0,如果位线上为高电平,则说明晶体管处于截止状态,读取的数据为1。由于控制栅极在读取数据的过程中施加的电压较小或根本不施加电压,不足以改变浮置栅极中原有的电荷量,所以读取操作不会改变FLASH中原有的数据。


  四、连接和编址方式


  两种FLASH具有相同的存储单元,工作原理也一样,为了缩短存取时间并不是对每个单元进行单独的存取操作,而是对一定数量的存取单元进行集体操作,NAND型FLASH各存储单元之间是串联的,而NOR型FLASH各单元之间是并联的;为了对全部的存储单元有效管理,必须对存储单元进行统一编址。


  NAND的全部存储单元分为若干个块,每个块又分为若干个页,每个页是512byte,就是512个8位数,就是说每个页有512条位线,每条位线下有8个存储单元;那么每页存储的数据正好跟硬盘的一个扇区存储的数据相同,这是设计时为了方便与磁盘进行数据交换而特意安排的,那么块就类似硬盘的簇;容量不同,块的数量不同,组成块的页的数量也不同。在读取数据时,当字线和位线锁定某个晶体管时,该晶体管的控制极不加偏置电压,其它的7个都加上偏置电压而导通,如果这个晶体管的浮栅中有电荷就会导通使位线为低电平,读出的数就是0,反之就是1。


  NOR的每个存储单元以并联的方式连接到位线,方便对每一位进行随机存取;具有专用的地址线,可以实现一次性的直接寻址;缩短了FLASH对处理器指令的执行时间。

  五、性能


  1、速度
  在写数据和擦除数据时,NAND由于支持整块擦写操作,所以速度比NOR要快得多,两者相差近千倍;读取时,由于NAND要先向芯片发送地址信息进行寻址才能开始读写数据,而它的地址信息包括块号、块内页号和页内字节号等部分,要顺序选择才能定位到要操作的字节;这样每进行一次数据访问需要经过三次寻址,至少要三个时钟周期;而NOR型FLASH的操作则是以字或字节为单位进行的,直接读取,所以读取数据时,NOR有明显优势。


  2、容量和成本
  NOR型FLASH的每个存储单元与位线相连,增加了芯片内位线的数量,不利于存储密度的提高。所以在面积和工艺相同的情况下,NAND型FLASH的容量比NOR要大得多,生产成本更低,也更容易生产大容量的芯片。


  3、易用性
  NAND FLASH的I/O端口采用复用的数据线和地址线,必须先通过寄存器串行地进行数据存取,各个产品或厂商对信号的定义不同,增加了应用的难度;NOR FLASH有专用的地址引脚来寻址,较容易与其它芯片进行连接,另外还支持本地执行,应用程序可以直接在FLASH内部运行,可以简化产品设计。


  4、可靠性
  NAND FLASH相邻单元之间较易发生位翻转而导致坏块出现,而且是随机分布的,如果想在生产过程中消除坏块会导致成品率太低、性价比很差,所以在出厂前要在高温、高压条件下检测生产过程中产生的坏块,写入坏块标记,防止使用时向坏块写入数据;但在使用过程中还难免产生新的坏块,所以在使用的时候要配合EDC/ECC(错误探测/错误更正)和BBM(坏块管理)等软件措施来保障数据的可靠性。坏块管理软件能够发现并更换一个读写失败的区块,将数据复制到一个有效的区块。


  5、耐久性

  FLASH由于写入和擦除数据时会导致介质的氧化降解,导致芯片老化,在这个方面NOR尤甚,所以并不适合频繁地擦写,NAND的擦写次数是100万次,而NOR只有10万次。

6、嵌入式板子中用到的存储概念

EEPROM  EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory),电可擦可编程只读存储器--一种掉电后数据不丢失的存储芯片。 EEPROM 可以在电脑上或专用设备上擦除已有信息,重新编程。一般用在即插即用。
  EEPROM(电可擦写可编程只读存储器)是可用户更改的只读存储器(ROM),其可通过高于普通电压的作用来擦除和重编程(重写)。不像EPROM芯片,EEPROM不需从计算机中取出即可修改。在一个EEPROM中,当计算机在使用的时候是可频繁地重编程的,EEPROM的寿命是一个很重要的设计考虑参数。EEPROM的一种特殊形式是闪存,其应用通常是个人电脑中的电压来擦写和重编程。DRAM断电后存在其中的数据会丢失,而EEPROM断电后存在其中的数据不会丢失。 另外,EEPROM可以清除存储数据和再编程。
  一般用于即插即用(Plug & Play);常用在接口卡中,用来存放硬件设置数据;也常用在防止软件非法拷贝的"硬件锁"上面。
SDRAM  SDRAM:Synchronous Dynamic Random Access Memory,同步动态随机存取存储器,同步是指Memory工作需要同步时钟,内部的命令的发送与数据的传输都以它为基准;动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失;随机是指数据不是线性依次存储,而是自由指定地址进行数据读写。
  SDRAM从发展到现在已经经历了四代,分别是:第一代SDR SDRAM,第二代DDR SDRAM,第三代DDR2 SDRAM,第四代DDR3 SDRAM.(显卡上的DDR已经发展到DDR5)

FLASH闪存  
闪存的英文名称是"Flash Memory",一般简称为"Flash",它属于内存器件的一种。
  不过闪存的物理特性与常见的内存有根本性的差异:
  目前各类 DDR 、 SDRAM 或者 RDRAM 都属于挥发性内存,只要停止电流供应内存中的数据便无法保持,因此每次电脑开机都需要把数据重新载入内存;
  闪存则是一种不挥发性( Non-Volatile )内存,在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据,其存储特性相当于硬盘,这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础。
  NAND 闪存的存储单元则采用串行结构,存储单元的读写是以页和块为单位来进行(一页包含若干字节,若干页则组成储存块, NAND 的存储块大小为 8 到 32KB ),这种结构最大的优点在于容量可以做得很大,超过 512MB 容量的 NAND 产品相当普遍, NAND 闪存的成本较低,有利于大规模普及。
  NAND 闪存的缺点在于读速度较慢,它的 I/O 端口只有 8 个,比 NOR 要少多了。这区区 8 个 I/O 端口只能以信号轮流传送的方式完成数据的传送,速度要比 NOR 闪存的并行传输模式慢得多。再加上 NAND 闪存的逻辑为电子盘模块结构,内部不存在专门的存储控制器,一旦出现数据坏块将无法修,可靠性较 NOR 闪存要差。
  NAND 闪存被广泛用于移动存储、数码相机、 MP3 播放器、掌上电脑等新兴数字设备中。由于受到数码设备强劲发展的带动, NAND 闪存一直呈现指数级的超高速增长.
  NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。Intel于1988年首先开发出NOR flash技术,彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面。紧接着,1989年,东芝公司发表了NAND flash结构,强调降低每比特的成本,更高的性能,并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。但是经过了十多年之后,仍然有相当多的硬件工程师分不清NOR和NAND闪存。
  相“flash存储器”经常可以与相“NOR存储器”互换使用。许多业内人士也搞不清楚NAND闪存技术相对于NOR技术的优越之处,因为大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码,这时NOR闪存更适合一些。而NAND则是高数据存储密度的理想解决方案。
  NOR的特点是芯片内执行(XIP, eXecute In Place),这样应用程序可以直接在flash闪存内运行,不必再把代码读到系统RAM中。NOR的传输效率很高,在1~4MB的小容量时具有很高的成本效益,但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。
  NAND结构能提供极高的单元密度,可以达到高存储密度,并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于flash的管理和需要特殊的系统接口。
  性能比较
  flash闪存是非易失存储器,可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行,所以大多数情况下,在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的,而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。
  由于擦除NOR器件时是以64~128KB的块进行的,执行一个写入/擦除操作的时间为5s,与此相反,擦除NAND器件是以8~32KB的块进行的,执行相同的操作最多只需要4ms。
  执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距,统计表明,对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时),更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样,当选择存储解决方案时,设计师必须权衡以下的各项因素。
  ● NOR的读速度比NAND稍快一些。
  ● NAND的写入速度比NOR快很多。
  ● NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。
  ● 大多数写入操作需要先进行擦除操作。
  ● NAND的擦除单元更小,相应的擦除电路更少。
  接口差别
  NOR flash带有SRAM接口,有足够的地址引脚来寻址,可以很容易地存取其内部的每一个字节。
  NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据,各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。
  NAND读和写操作采用512字节的块,这一点有点像硬盘管理此类操作,很自然地,基于NAND的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。
  容量和成本
  NAND flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半,由于生产过程更为简单,NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量,也就相应地降低了价格。
  NOR flash占据了容量为1~16MB闪存市场的大部分,而NAND flash只是用在8~128MB的产品当中,这也说明NOR主要应用在代码存储介质中,NAND适合于数据存储,NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存储卡市场上所占份额最大。



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