从Nand特性谈其烧录关键点

为什么烧录Nand Flash经常失败?为什么烧录成功了，一部分Nand芯片贴板之后系统却运行不起来?…，等等，问了那么多为什么，那我反问一个问题：你了解Nand Flash的特性及其烧录关键点吗?

一、Nand flash的特性

1、位翻转

在 NAND 闪存是通过对存储单元(Cell)进行充电来完成数据存储的，存储单元的阈值电压就对应着数据值。当读取的时候，通过将它的阈值电压与参考点对比来获得其数据值。对SLC 而言，就只有两种状态和一个参考点。而对于2-Bits 的MLC 而言，它有4 种状态和三个参考点。TLC就更多状态和参考点。当读出的数据值与编程时数据值对应的阈值电压不相匹配时，表明数据发生了位翻转，就带来了可靠性问题。导致位翻转的最常见原因是“编程干扰”导致的阈值电压漂移。

2、存储结构

Nand 闪存由多个Block组成，每一个Block又由多个Page组成，Page的大小一般为512+16Bytes 、2K+64Bytes以及4096+128Bytes，Page是读取和编程的基本单位，而擦除的基本单位是Block。

NAND Flash的页，包含主区(Main Area)和备用区(Spare Area)两个域，“主区”也常称作数据区，备用区是保留区域，一般用来标记坏块(bad block)和存放ECC的值，当然有些文件系统使用备用区记录擦除次数、文件组织数据等。

图1.1 为页大小为2048+64的闪存存储结构

3、坏块及ECC

位翻转的发生是随机的，且比特误码的数量会随着擦写次数的增加而增加。但是只要比特误码的数量在ECC 能够纠正的范围内，数据的完整性就始终有保障。在有些点，每页的比特误码有可能很接近ECC 所能纠正的极限，NAND 的控制系统必须严防比特误码超过可纠错的范围，否则，就可能造成数据丢失或者系统无法正常工作。因此，这些块必须要标记为坏块。坏块永远不应该再用来存储数据。由于坏块的产生是不可避免的，NAND 制造商在对裸片测试时会选择对某些块进行坏块标记，而不是放弃整个裸片，所以大多数NAND 在出厂时就已经存在标记为坏块的块。如果一个NAND 的块被标记为坏块，那么NAND 的容量就永久性的减小了。

二、Nand系统裸片量产烧录的关键点

由于Nand flash芯片的特性，以其作为存储介质时必须对这些特性进行恰当处理，这样系统才能正常运行。系统设定各分区数据在Nand芯片的存储布局，并且在存储驱动层对Nand进行位纠错、坏块管理等处理，这些信息需要系统/驱动工程师明确。

研发阶段或小批量生产阶段，常采用在板烧录的方式，原理是将boot通过串口下载到内存跑起来，由boot从SD卡或网络将内核镜像、文件系统镜像等数据烧录到Nand flash芯片。

为了提高生产效率或别的方面考虑，会使用烧录器对Nand flash裸片进行量产烧录，由于烧录器厂家并不知道存储驱动层对Nand各种特性的处理方式，所以不加正确配置就进行烧录的话，往往出现以下情况：1. 烧录失败，经常是校验通不过;2. 烧录通过，但是部分芯片贴板之后系统运行不起来，或者运行起来某些模块出现一些错误与异常。这些大多不是烧录器本身的问题，而是裸片烧录Nand系统时几个重要的关键点没有处理好，或者说没有和目标系统相关处理一致。这些关键点包括：

1) 坏块处理策略

2) 分区(Partition)

3) 纠错码(Error Correction Codes，ECC)

当然，影响烧录的还有其他因素，比如备用区的使用情况、未用好快的格式化以及动态元数据等，但我们这里只讨论上面几个比较普遍的因素。

1、坏块处理策略

坏块一般是根据芯片的坏块标记位置进行识别的，而坏块处理策略定义了在遇到坏块时算法应该如何处理。策略算法负责将本来应该写到坏块的内容写到其它可选的好块中。最常用的坏块处理策略是跳过坏块，其他典型的还有带BBT的跳过坏块及预留块区等。

跳过坏块的处理策略是最基本最常用的坏块替换策略。当烧录中遇到坏块时，算法简单地跳过坏块，而将数据写入下一个好块。它会造成物理数据和逻辑数据的位置偏移，这通常需要分区来解决这个问题。

2、分区(Partition)

采用类跳过坏块的处理策略的Nand系统，常常会把存储区分成若干个不同的物理区域，这就是我们说的分区，概念上很像电脑硬盘的分区。使用分区使得你有能力确保你的数据可以存到预先指定的物理块区内，即便在这之前发现了一些坏块。这对一些底层软件组件比如启动引导程序和某些必须很容易定位的文件系统驱动程序来说，是非常有帮助的。

当使用跳过坏块的替换策略时，坏块会导致数据顺移到下一个好块。如果设置了分区，就可以指导烧录器确定数据的边界，确保数据文件不会侵占邻近的分区。

图2.2.1就是典型的嵌入式Linux系统的分区情况。

图2.2.1 典型的嵌入式Linux系统分区情况

3、纠错码(Error Correction Codes，ECC)

针对不同工艺、容量的NAND存储系统采用适当的ECC算法是应该的，要保证系统的可靠性，甚至是必须的。ECC纠错码一般存放在备用区中，对一整页或将页分成若干节的数据进行计算而得。数据烧录之前需要准备好ECC(硬件ECC除外)，如果是纯数据则需要使用ECC算法来生成。Nand裸片量产中，知道ECC算法的纠错能力(纠错位数)是很重要的，因为要保证生产效率，烧录器如果采用ECC来进行校验数据是不实际的，而通过简单数据比对就可以知道数据的位翻转个数，如果翻转个数范围在ECC算法的纠错范围之内，则认为校验应该是通过的。

三、烧录定制

对于以上关键点或其它特殊部分，如果烧录器软件没有支持的相应的方案，需要联系原厂进行相关算法的定制，比如坏块处理方案、ECC方案等。

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昂科软件更新支持瑞萨电子的FLASH存储器AT45DB041E-SN2B烧录

芯片烧录行业领导者-昂科技术近日发布最新的烧录软件更新及新增支持的芯片型号列表，其中昂科发布软件更新支持Renesas瑞萨电子的AT45DB041E系列FLASH存储器AT45DB041E-S*N2B的烧录已经被昂科的通用烧录平台AP8000所支持。

昂科自动烧录器

AT45DB041E是一款最低1.65V的串行接口顺序存取闪存，非常适合各种数字语音、图像、程序代码和数据存储应用程序。AT45DB041E还支持RapidS串行用于需要非常高速操作的应用程序的接口。它的4,194,304位内存被组织为2,048页，每个256字节或264字节。除了主存储器，AT45DB041E还包含两个SRAM缓冲器，每个256/264字节。缓冲区允许在重新编程主存储器中的页面时接收数据。两个缓冲区之间的交错可以显著提高系统写入连续数据流的能力。此外，SRAM缓冲器可用作额外的系统暂存器存储器，以及E2 PROM仿真（位或字节可更改性）可以通过自包含的三步读取-修改-写入操作轻松处理。

与使用多条地址线和并行接口随机访问的传统闪存不同，DataFlash®使用串行接口顺序访问其数据。简单的顺序访问大大减少有源引脚数，有助于简化硬件布局，提高系统可靠性，最大限度地减少开关噪声，以及减小封装尺寸。该设备针对许多商业和工业应用进行了优化，其中高密度、低引脚数、低电压和低功耗是必不可少的。

为了允许简单的系统内重新编程，AT45DB041E不需要高输入电压编程。该器件采用 1.65V至3.6V单电源供电，用于擦除、编程和读取操作。AT45DB041E通过芯片选择引脚(CS) 启用，并通过3线接口访问串行输入(SI)、串行输出(SO)和串行时钟(SCK)。所有编程和擦除周期都是自定时的。

产品特征

• 单1.65V-3.6V电源

• 兼容串行外设接口(SPI)

– 支持SPI模式0和3

– 支持RapidS™操作

• 整个阵列的连续读取能力

– 高达85MHz

– 高达15MHz的低功耗读取选项

– 最大6ns的时钟到输出时间(tV)

• 用户可配置页面大小

– 每页256字节

– 每页264字节(默认)

– 页面大小可在工厂预配置为256字节

• 两个完全独立的SRAM数据缓冲器(256/264字节)

– 允许在重新编程主存储器阵列时接收数据

• 灵活的编程选项

– 字节/页程序(1to256/264bytes)直接存入主存

– 缓冲区写入

– 缓冲区到主存页程序

• 灵活的擦除选项

– 页面擦除(256/264字节)

– 块擦除(2KB)

– 扇区擦除(64KB)

– 芯片擦除(4-Mbits)

• 编程和擦除挂起/恢复

• 先进的软硬件数据保护功能

– 个别扇区保护

– 个别扇区锁定，使任何扇区永久只读

• 128字节、一次性可编程(OTP)安全寄存器

– 64字节工厂编程有唯一标识符

– 64字节用户可编程

• 硬件和软件控制的复位选项

• JEDEC标准制造商和设备ID读取

• 低功耗

– 400nA超深度掉电电流（典型值）

– 3µA深度掉电电流（典型值）

– 25µA待机电流（典型值）

– 7mA有源读取电流(典型@15MHz)

• 耐久性：每页至少100,000次编程/擦除周期

• 数据保留：20年

• 符合全工业温度范围

• 绿色(无铅/无卤/符合RoHS)封装选项

– 8引脚SOIC(0.150"宽和0.208"宽)

– 8焊盘超薄DFN(5x6x0.6mm)

– 8-ball晶圆级芯片规模封装

– 晶片形式

昂科技术自主研发的AP8000万用型烧录器包含主机，底板，适配座三大部分。

昂科AP8000通用烧录器

主机支持USB和NET连接，允许将多台编程器进行组网，达到同时控制多台编程器同时烧录的目的。内置芯片安全保障电路保证即使芯片放反或其他原因造成的短路可以被立即检测到并进行断电处理，以保障芯片和编程器安全。内嵌高速FPGA，极大地加速数据传输和处理。主机背部有SD卡槽，将PC软件制作得到的工程文件放到SD卡的根目录下并插入到该卡槽内，通过编程器上的按键可进行工程文件的选择，加载，执行烧录等命令，以达到脱离PC便可操作的目的，极大的降低了PC硬件配置成本，方便迅速地搭配工作环境。

AP8000通过底板加适配板的方式，让主机扩展性更强，目前已经支持了所有主流半导体厂家生产的器件，包括TI, ST, MicroChip, Atmel, Hynix, Macronix, Micron, Samsung, Toshiba等。支持的器件类型有NAND, NOR, MCU, CPLD, FPGA, EMMC等，支持包括Intel Hex, Motorola S, Binary, POF等文件格式。

公司介绍

关于瑞萨电子： 瑞萨电子（Renesas），于2003年4月成立，是世界十大半导体芯片供应商之一。2020年，Dialog半导体收购Adesto，Adesto是领先的工业物联网(IIoT)市场创新定制集成电路(IC)及嵌入式系统的供应商。2021年2月8日，瑞萨电子收购Dialog半导体。Dialog半导体是高度集成电源管理、充电、AC/DC电源转换、Wi-Fi和蓝牙低功耗技术供应商。瑞萨电子提供专业可信的创新嵌入式设计和完整的半导体解决方案，旨在通过使用其产品的数十亿联网智能设备改善人们的工作和生活方式。作为全球领先的微控制器供应商、模拟功率器件和SoC产品的领导者，瑞萨电子为汽车、工业、基础设施及物联网等各种应用提供综合解决方案。

关于昂科技术： 昂科技术（ACROVIEW）是全球领先的半导体芯片烧录解决方案提供商，公司坚持以科技改变世界、用智能驱动未来，持续不断的为客户创造价值。昂科的AP8000通用烧录器平台及最新的IPS5000烧录自动化解决方案，为半导体和电子制造领域客户提供一站式解决方案，公司已服务包括华为、比亚迪、富士康等全球领先客户。

文章来源于：昂科技术ACROVIEW

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