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智能手机存储芯片 FLASH:NAND 与 NOR 的区别与应用

作者:软荐小编      2024-06-04 16:19:19     157

我们使用的智能手机都有一个可用空间(比如苹果的8G、16G等)和一个RAM容量。很多人不是很清楚为什么需要两个这样的芯片来做存储。这就是我们下面要讲的。我们把这两个存储设备称为“FLASH”。FLASH是一种存储芯片,全称是Flash EEPROM Memory,可以通过程序修改数据,也就是通常所说的“闪存”。Flash又分为NAND flash和NOR flash两种,U盘、MP3中就用到了这种类型的存储器

“闪存”经常和“NOR存储器”互换使用,业内很多人也搞不清楚NAND闪存技术相对于NOR技术的优势,因为大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码,这种情况下NOR闪存更合适。NAND是高数据存储密度的理想解决方案。NOR Flash的读取和我们常见的SDRAM的读取是一样的,用户可以直接运行装载在NOR FLASH中的代码类似flash的软件,这样可以减少SRAM的容量,节省成本。NAND Flash不采用存储器的随机读取技术,它的读取是以每次读取一个块的形式进行的,通常每次读取512字节。采用这种技术的Flash相对便宜。用户不能直接在NAND Flash上​​运行代码,所以很多使用NAND Flash的开发板除了使用NAND Flah外,还使用一块小的NOR Flash来运行启动代码。

NOR闪存是Intel于1988年开发的一种NOR闪存技术。NOR的特点是片内执行(XIP,eXecute In Place),这样应用程序就可以直接在闪存中运行,而不必将代码读入系统RAM中。NOR的传输效率高,在1至4MB的小容量下非常具有性价比类似flash的软件,但其写入和擦除速度较慢,大大影响了其性能。

Nand-flash存储器是闪存的一种,1989年,东芝公司发布了NAND​​闪存结构,其内部采用非线性宏单元模式,为固态大容量存储器的实现提供了一种廉价有效的解决方案。Nand-flash存储器具有容量大、改写速度快等优点,适合存储大量数据,因此在业界得到了越来越广泛的应用,例如包括数码相机、MP3播放器存储卡、小型USB闪存盘等嵌入式产品。

NAND闪存和NOR闪存的原理

1.数据存储原则

这两种闪存器件都是采用三端器件作为存储单元,即源极、漏极、栅极。工作原理和场效应管一样,主要是利用电场的作用来控制源极和漏极之间的导通和截止,栅极的电流消耗很小。不同之处在于场效应管是单栅极结构,而FLASH是双栅极结构,在栅极和硅衬底之间增加了一个浮栅。[attach]158[/attach]

浮栅由两层二氧化硅材料夹着氮化物构成,中间的氮化物是电荷势阱,可以储存电荷,上下氧化层厚度大于50埃,以避免击穿。

2.浮栅再放电

数据写入数据单元的过程,就是向电荷势阱中注入电荷的过程。写入数据的技术有两种,热电子注入和FN隧穿效应。前者通过源极对浮栅进行充电,后者通过硅基对浮栅进行充电。NOR FLASH是通过热电子注入对浮栅进行充电,而NAND则是通过FN隧穿效应对浮栅进行充电。

在写入新数据之前,必须先擦除原有数据,这一点和硬盘不同。即必须释放浮栅上的电荷。两种类型的FLASH都是通过FN隧道效应放电。

3. 0 和 1

从这一点上来说,两种类型的FLASH是相同的,向浮栅中注入电荷表示写‘0’,不注入电荷表示写‘1’,所以清除FLASH中的数据就是写1,和硬盘正好相反;

对于浮栅上带电荷的单元,由于浮栅的感应,在源极和漏极之间会形成一个正的空间电荷区,此时无论控制电极上是否加有偏压,晶体管都会处于导通状态。对于浮栅中不带电荷的晶体管,只有当控制电极上加适当的偏压,在硅基层上感应出电荷时,源极和漏极才能导通,也就是说,当控制电极上不加偏压时,晶体管是截止的。如果将晶体管的源极接地,漏极接位线,则在不加偏压的情况下,通过检测晶体管的导通状态,就可以得到存储单元中的数据。 如果位线上的电平为低,就代表晶体管处于导通状态,读取的数据为0。如果位线上的电平为高,就代表晶体管处于截止状态,读取的数据为1。由于数据读取过程中控制栅极所加的电压很小或者根本没有加电压,不足以改变浮栅中原有的电荷,因此读取操作不会改变FLASH中原来的数据。

4. 连接和寻址方法

两种FLASH的存储单元相同,工作原理也相同,为了缩短访问时间,并不是对每个单元单独进行访问,而是对一定数量的访问单元进行集体操作。NAND FLASH的存储单元是串联的,而NOR FLASH的存储单元是并联的。为了有效地管理所有的存储单元,必须对存储单元进行统一寻址。

NAND所有的存储单元都被分成若干个Block,每个Block又分成若干个Page,每页512个字节,也就是512个8位数,也就是每页有512条位线,每位线上有8个存储单元;那么每页存储的数据就和硬盘一个扇区存储的数据一模一样了,是在设计的时候特意安排的,方便和磁盘进行数据交换,所以Block类似于硬盘的Cluster;容量不同,Block的数量也不同,组成Block的Page数量也不同。在读取数据的时候,当字线和位线锁定某个晶体管时,这个晶体管的控制极不偏置,另外7个都偏置导通。如果这个晶体管的浮栅中有电荷,就会导通,使位线为低,读出的数字就是0,否则就是1。

NOR的每个存储单元都并联在位线上,方便对每个位进行随机访问;具有专用的地址线,可以实现一次性直接寻址;缩短了FLASH对于处理器指令的执行时间。

NAND闪存与NOR闪存的区别

1. NAND闪存与NOR闪存性能对比

闪存是一种非易失性存储器,可以以称为块的存储单元块为单位进行擦除和重新编程。对任何闪存设备的写入操作都只能在空的或已擦除的单元中执行,因此在大多数情况下,必须在写入操作之前执行擦除。NAND 设备执行擦除操作非常简单,而 NOR 则要求在执行擦除操作之前将目标块中的所有位都写入 0。由于擦除 NOR 设备是在 64 到 128KB 的块中执行的,因此执行写入/擦除操作需要 5 秒钟。相比之下,擦除 NAND 设备是在 8 到 32KB 的块中执行的,相同的操作最多只需要 4ms。执行擦除时块大小的差异进一步扩大了 NOR 和 NAND 之间的性能差距。统计数据显示,对于给定的一组写入操作(尤其是在更新小文件时),必须在基于 NOR 的单元中执行更多的擦除操作。因此,在选择存储解决方案时,设计人员必须权衡以下因素。

1、NOR的读取速度比NAND稍快一些。

2、NAND的写入速度比NOR快很多。

3、NAND的4ms擦除速度比NOR的5s快很多。

4. 大多数写入操作都需要先进行擦除操作。

5.NAND的擦除单元较小,相应的擦除电路较少。

2. NAND flash与NOR flash接口区别

NOR闪存具有SRAM接口,并具有足够的地址引脚来对其进行寻址,因此可以轻松访问其中的每个字节。

NAND 设备使用复杂的 I/O 端口以串行方式访问数据,并且不同产品或不同制造商的方法可能有所不同。八个引脚用于传输控制、地址和数据信息。NAND 读写操作使用 512 字节块,这有点像硬盘管理此类操作的方式。自然,基于 NAND 的内存可以取代硬盘或其他块设备。

3. NAND flash与NOR flash的容量及成本

NAND闪存的单元尺寸几乎只有NOR器件的一半,由于生产工艺更为简单,NAND结构可以在给定的芯片尺寸内提供更高的容量,从而相应地降低价格。

NOR闪存占据了1~16MB容量的大部分闪存市场,而NAND闪存只用于8~128MB容量的产品。这也说明NOR主要用在代码存储介质上,而NAND适合用于数据存储。NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存储卡市场占有最大的份额。

4. NAND闪存和NOR闪存的可靠性和耐用性

使用闪存介质时需要考虑的关键问题之一是可靠性。对于需要延长 MTBF 的系统来说,闪存是一种非常合适的存储解决方案。NOR 和 NAND 的可靠性可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理等方面进行比较。

5. NAND闪存和NOR闪存的寿命(耐用性)

NAND 闪存每个块的最大擦写次数为一百万次,而 NOR 只能擦写十万次。除了 10:1 的块擦除周期优势外,典型的 NAND 块大小比 NOR 器件小 8 倍,每个 NAND 存储器块在给定的时间段内可擦除的次数更少。

6. 位交换

所有闪存设备都受到一种称为位交换的现象的困扰。在某些情况下(很少见,NAND 比 NOR 更常见),位可能会翻转或被报告为翻转。单个位的变化可能不引人注意,但如果它发生在一个关键文件上,这个小故障可能会导致系统关闭。如果它只是被报告为问题,再读几次就可以修复它。当然,如果位确实发生了变化,则必须使用错误检测/错误校正 (EDC/ECC) 算法。位翻转在 NAND 闪存中更常见,NAND 供应商建议使用 NAND 闪存

7.EDC/ECC 算法

在使用NAND存储多媒体信息时,这个问题并不致命。当然,如果使用本地存储设备存储操作系统、配置文件或其他敏感信息,则必须使用EDC/ECC系统来确保可靠性。

8. 坏块处理

NAND器件中的坏块是随机分布的,过去也曾尝试消除坏块,但是良率太低、成本太高,不经济。

NAND 设备需要对介质进行初始扫描,以查找坏块并将其标记为不可用。在制造的设备中,如果此过程无法可靠地执行,则会导致高故障率。

9.易于使用

使用基于 NOR 的闪存非常简单;您可以像任何其他内存一样连接它并直接在其上运行代码。

NAND 要复杂得多,因为它需要 I/O 接口。各种 NAND 设备的访问方式因制造商而异。使用 NAND 设备时,必须先编写驱动程序,然后才能继续执行其他操作。向 NAND 设备写入信息需要相当的技巧,因为设计人员绝不能向坏块写入信息,这意味着必须从头到尾对 NAND 设备进行虚拟映射。

10.软件支持

在讨论软件支持时,应该区分基本的读/写/擦除操作和用于磁盘仿真和闪存管理算法的高级软件,包括性能优化。

在NOR设备上运行代码不需要任何软件支持。在NAND设备上执行同样的操作时,通常需要一个驱动程序,即内存技术驱动程序(MTD)。NAND和NOR设备都需要MTD进行写入和擦除操作。

使用 NOR 设备时所需的 MTD 相对较少,许多供应商为 NOR 设备提供更先进的软件,包括 M-System 的 TrueFFS 驱动程序,Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian 和 Intel 均使用该驱动程序。该驱动程序还用于模拟 DiskonChip 产品和管理 NAND 闪存,包括错误更正、坏块处理和磨损均衡。

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