内置nand flash 什么是NAND 型 Flash 存储器？

发布时间 : 2025-01-19

作者 : 小编

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什么是NAND 型 Flash 存储器？

前言

NAND Flash 和 NOR Flash是现在市场上两种主要的闪存技术。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,后者的单元电路尺寸几乎只是 NOR 器件的一半,可以在给定的芯片尺寸内提供更高的容量,也就相应地降低了价格。

1.NAND Flash ROM

NAND Flash ROM 应该是目前最热门的存储芯片了。因为我们生活中经常使用的电子产品都会涉及到它。比如你买手机，肯定会考虑64GB，还是256GB？买笔记本是买256GB，还是512GB容量的硬盘呢？（目前电脑大部分采用了基于 NAND Flash 产品的固态硬盘）。

2.NOR Flash ROM

NOR Flash ROM 的特点是以字节为单位随机存取。这样，应用程序可以直接在 Flash ROM 中执行，不必再把程序代码预先读到 RAM 中。NOR Flash ROM 的接口简单，与通常的扩展存储器一样，可以直接连接到处理器的外围总线上。

与 NOR Flash ROM 相比， NAND Flash ROM 以页（行）为单位随机存取,在容量、使用寿命和成本方面有较大优势。但是它的读出速度稍慢,编程较为复杂,因此大多作为数据存储器使用。嵌入式产品中包括数码相机、MP3 随身听记忆卡、体积小巧的U盘等均采用 NAND Flash ROM 。

在存储结构上，NAND Flash 内部采用非线性宏单元模式,全部存储单元被划分为若干个块(类似于硬盘的,一般为8 KB)，这也是擦除操作的基本单位。进而，每个块又分为若干个大小为512 B的页，每页的存储容量与硬盘每个扇区的容量相同。也就是说，每页都有512条位线,每条位线连接一个存储元。此时，要修改 NAND 芯片中一个字节，就必须重写整个数据块。当Flash 存储器的容量不同时，其块数量以及组成块的页的数量都将不同。相应地，地址信息包括了列地址、块地址以及相应的页面地址。这些地址通过8位总线分组传输，需要多个时钟周期。当容量增大时，地址信息增加，那么就需要占用更多的寻址周期，寻址时间也就越长。这导致NAND Flash的地址传输开销大，因此并不适合于频繁、小数据量访问的应用。

相比较而言，NAND 型 Flash 存储器具有更高的存储密度、更快的写人速度、更低的价格以及更好的擦写耐用性等优点，非常适用于大量数据的存储。但由于NAND Flash的接口和操作都相对复杂，位交换操作频繁，因此通常还要采用错误探测/错误纠正(EDC/ECC)算法来保护关键性数据。

例如深圳雷龙有限公司的 CSNP32GCR01-AOW 芯片。

一.免驱动使用。SD NAND内置了针对NAND Flash的坏块管理，平均读写，动态和静态的EDC/ECC等算法。

二.性能更稳定。由于NAND Flash内部是先擦后写机制，如果软件处理不当，在突然掉电的时候就会导致数据丢失。而SD NAND内部自带的垃圾回收等机制可以很好的规避这个问题。因此CS创世的二代产品才会通过10K次的随机掉电测试。

三.尺寸更小。目前SD NAND 是68mm 大小，8个pin脚，相比Raw NAND的1220mm大小，48个pin脚，采用SD NAND可以做出更小巧的产品，而且也能节省CPU宝贵的GPIO口（这点对于MCU单片机来说更是重要）

四.SD NAND可选容量更多。目前有128MB/512MB/4GB容量。而SLC 的Raw NAND 主流容量128MB，512MB已经少见，供货周期也很长；单颗4GB的Raw NAND基本都是MLC或者TLC NAND的晶圆，管理起来更复杂。

不用写驱动程序自带坏块管理的 NAND Flash（贴片式TF卡），尺寸小巧，简单易用，兼容性强，稳定可靠，固件可定制，LGA-8 封装，标准SDIO接口，兼容SPI，兼容拔插式TF卡/SD卡，可替代普通 TF卡/SD 卡，尺寸 6.2x8mm ，内置平均读写算法，通过1万次随机掉电测试耐高低温，机贴手贴都非常方便，速度级别Class10（读取速度 23.5MB/S 写入速度 12.3MB/S ）标准的 SD2.0 协议普通的SD卡可直接驱动，支持TF卡启动的 SOC 都可以用 SD NAND。

SD NAND原理图如下：

microSD卡会写坏吗？它里面有固件吗？它是如何构成的？

最近我遇到点烦心事，手机相册忽然不能用了。开始时怀疑是小米手机的软件问题，但是发现存在microSD卡（后文用uSD卡代替）上的电影也出现问题后，我终于找到问题的根源：uSD卡。这让我有些吃惊，毕竟我买的Samsung EVO Plus 128GB uSD卡价格并不便宜，出于我对uSD卡构成和渠道的深刻了解，我之前一直向人推荐购买Samsung或者SanDisk的卡片。而我平时也就是看看电影，偶尔照照像，并不是自拍达人或者重度“视频录制爱好者”，按理来说并不需要Samsung Pro系列endurance很高的uSD。也许这次是我的运气不好，碰到个质量有问题的卡，那怎么办呢？尽管Samsung EVO号称十年的保固期，但我的私人数据该如何处理呢？

我决定Debug一下，将uSD插到我的树莓派上，开始了一个下午的“奇幻之旅”。一番折腾后，发现几乎所有的块读取指令都可以成功完成，但写操作几乎都是失败的。这表明uSD卡的FTL（Flash Translation Layer）层出现了问题，坏块可能已经导致新建映射关系完全失败了。更多关于FTL的知识可以看我的知乎专栏文章。

好在映射表并没有损坏，所以读操作都可以完成，已有数据还是安全的。在备份了所有的照片和电影之后，我长舒了一口气，看着这个uSD我又犯了难。要质保的话，我需要退还旧uSD卡，而因为不能写，导致不能删除所有数据，鬼知道Samsung的售后会如何对待我自拍的”美图“和电影！uSD有价而数据无价，为了安全起见还是用我的终极办法吧

羊角锤，数据安全专家的必备工具！

这件事让我想起很多朋友在读了我的NAND Flash系列和SSD硬盘系列文章后，问我uSD卡里面有没有FTL层。网上也有很多误解认为uSD卡是没有FTL层的。为了大家对uSD卡有个清楚的认识，今天我们就来了解一下uSD的构成以及回应一下误解。

什么是uSD卡？

关于uSD的由来我就不过多介绍了，网上资料很多。相信大家都希望自己的手机可以支持uSD卡，毕竟花500多块钱，就可以购买到256G的额外容量，完全可以傲视iPhone的旗舰机的容量。虽说uSD的速度不及内置的NFS Flash，但作为存储照片、影像和资料来说是绰绰有余了。uSD很小：

它如此之小，以至于很多人认为它其中就是放的NAND Flash而别无它物，但事实是这样吗？

拆解uSD卡

uSD卡结构十分紧凑，拆开它并不像拆开SD那么轻松，而且很可能会损坏它。幸亏有专业数据恢复公司这么做过（参考资料1），我们来一起一睹庐山真面目：

原始uSD

上锉刀

初露端倪

庐山真面目

这里用锉刀，也有些人用酸液腐蚀掉外面的套，会更加清楚些。看到这么复杂的结构，你这时也许会十分惊讶，但如果我们看看它真正的组成框图，你也许会更吃惊！

uSD的构成

将uSD描述为一个小SSD一点也不夸张，一个简化的框图如下：

它包括自己的控制器，内存（有可能是控制器自带），和NAND Flash。猜猜这个控制器是什么？

是ARM！尤其是在大多数Class 10的uSD上，ARM和DMA协调工作，才能保证传输速度。具体举个例子，Samsung的uSD卡大多采用ARM7TDMI（详情见参考资料2），它是基于ARMv4T架构的，T代表Thumb指令集，D是说支持JTAG调试(Debugging)，M意指快速乘法器，I则对应一个嵌入式ICEBreaker模块：

小小的uSD卡也是有程序的，也就是有固件的，Samsung的固件就有128KB大小。

这个ARM7TDMI据我所知，运行在100MHz的频率上。它并不十分的昂贵，根据不同的出货量，它的Cost也就在$0.10到$0.30之间。

结论

很多人都没想到，uSD卡虽小，五脏俱全。ARM控制器加上固件，它包括了冯诺依曼所有的元素，它实现了FTL层，从而实现了负载均衡。尽管SD卡的标准并没有明确要求实现负载均衡，但没有负载均衡的FTL层，某些特殊设计的写操作，在几分钟之内就可以写坏uSD卡，这是不可以接受的。所以，几乎所有uSD卡都实现了FTL层。

有趣的是现在很多SD卡，为了方便起见，直接内嵌了个uSD卡，节省了成本：

还有很多古怪的玩法，譬如SSD实际上是一堆uSD卡拼成，十分有趣。

另外评论区有朋友问TF卡和uSD的区别的问题。现在可以说他们是一回事，叫做不同的名字是有历史原因的，简单来说TF(TransFlash)发明比较早，后来被SD卡组织吸收合并，就几乎变成了一回事，有些细微的区别，详见参考资料3，但一般用户无感。

什么是NAND 型 Flash 存储器？

microSD卡会写坏吗？它里面有固件吗？它是如何构成的？

什么是uSD卡？

拆解uSD卡

uSD的构成

结论

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