原创 NAND and NOR FLASH

 NAND and NOR FLASH

一、闪存简介
Flash-ROM（闪存）已经成为了目前最成功、流行的一种固态内存，与 EEPROM 相比具有读写速度快，而与 SRAM 相比具有非易失、以及价廉等优势。而基于 NOR 和 NAND 结构的闪存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 技术（后将该技术无偿转让给韩国　Samsung　公司），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，仍然有相当多的工程师分不清 NOR 和 NAND 闪存，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 则是高资料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，这也是为何所有的 U 盘都使用 NAND 闪存做为存储介质的原因。应用 NAND 的困难在于闪存和需要特殊的系统接口。

二、性能比较
闪存是非易失内存，可以对称为块的内存单元块进行擦写和再编程。任何闪存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　NAND 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。
1) NOR的读速度比NAND稍快一些。
2) NAND的写入速度比NOR快很多。
3) NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。大多数写入操作需要先进行擦除操作。
4) AND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。

三、接口差别
NOR 闪存带有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闪存使用复杂的I/O口来串行地存取资料，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、地址和资料信息。
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的闪存就可以取代硬盘或其它块设备。

四、容量和成本
NAND 闪存的单元尺寸几乎是　NOR　闪存的一半，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 闪存容量为　1～11～16MB　闪存市场的大部分，而　NAND 闪存只是用在　8MB　以上的产品当中，这也说明　NOR　主要应用在代码存储介质中，NAND　适合于资料存储，NAND　在　 CompactFlash、Secure Digital、PC Cards　和　MMC　存储卡市场上所占份额最大。

五、可靠性和耐用性
采用闪存介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展　MTBF　的系统来说，闪存是非常合适的存储方案。可以从寿命（耐用性）、位交换和坏块处理三个方面来比较　NOR　和　NAND　的可靠性。
寿命（耐用性）
在　NAND　闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而　NOR　的擦写次数是十万次。NAND　内存除了具有　10：1　的块擦除周期优势，典型的　 NAND　块尺寸要比　NOR　器件小　8　倍，每个　NAND　内存块在给定的时间内的删除次数要少一些。
位交换
所有闪存器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下（很少见，NAND　发生的次数要比NOR　多），一个比特位会发生反转或被报告反转了。
一位的变化可能不很明显，但是如果发生在一个关键文件上，这个小小的故障可能导致系统停机。如果只是报告有问题，多读几次就可能解决了。
当然，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探测/错误纠正（EDC/ECC）算法。位反转的问题更多见于　NAND　闪存，NAND　的供货商建议使用　NAND　闪存的时候，同时使用　EDC/ECC　算法。
这个问题对于用　NAND　存储多媒体信息时倒不是致命的。当然，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其它敏感信息时，必须使用　EDC/ECC　系统以确保可靠性。
坏块处理
NAND　器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力，但发现成品率太低，代价太高，根本不划算。
NAND　器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。在已制成的器件中，如果通过可靠的方法不能进行这项处理，将导致高故障率。

六、易于使用
可以非常直接地使用基于　NOR　的闪存，可以像其它内存那样连接，并可以在上面直接运行代码。
由于需要　I/O　接口，NAND　要复杂得多。各种　NAND　器件的存取方法因厂家而异。
在使用　NAND　器件时，必须先写入驱动程序，才能继续执行其它操作。向　NAND　器件写入信息需要相当的技巧，因为设计师绝不能向坏块写入，这就意味着在　NAND　器件上自始至终都必须进行虚拟映像。
七、软件支持
当讨论软件支持的时候，应该区别基本的读/写/擦操作和高一级的用于磁盘仿真和闪存管理算法的软件，包括性能优化。
在　NOR　器件上运行代码不需要任何的软件支持，在　NAND　器件上进行同样操作时，通常需要驱动程序，也就是内存技术驱动程序（MTD），NAND　和　NOR　器件在进行写入和擦除操作时都需要　MTD。

八、典型的 NOR 闪存（Strata Flash）
Strata Flash　是 Intel　公司产的典型 Nor Flash， 本机使用的Strata Flash 是该系列中的 <?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />28F320J3，该闪存的内部逻辑框图如图10-1：
<?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" /><?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />
它的特性如下：
1) 问速度有 110ns/120ns 和150ns 共 3 檔
2) 具备128bit 加密寄存器
3) 块尺寸：128KB

九、典型的 NAND 闪存（K9S5608）
K9S5608 是韩国 Samsung 公司所产的 256MBit（32MByte） SMC 卡（外形封装成卡片形式的） NAND 闪存。下图是K9S5608的内部逻辑框图。

图10-2
K9S5608 具有以下特性：
（1） 32MByte 存储空间的结构为：（32M＋1024K）bit×8bit（见图10-3）
（2） 支持自动编程和擦除模式
（3） 10uS 随即页面读写
（4） 200uS 快速页面擦除周期
（5） 具备硬件写保护功能
（6） 擦/写寿命：10 万次
（7） 资料保存寿命：10 年