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nand flash整片擦除作为嵌入式工程师的你，这些FLASH你应该明白吧

发布时间 : 2025-01-19

作者 : 小编

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作为嵌入式工程师的你，这些FLASH你应该明白吧

嵌入式开发得弄明白各种Flash

1、Flash Memory的简介

大家好，我是一哥，今天来介绍下嵌入式的各种Flash。所谓Flash，是内存（Memory）的一种，但兼有RAM和ROM 的优点，是一种可在系统（In-System）进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器，同时它的高集成度和低成本使它成为市场主流。

Flash 芯片是由内部成千上万个存储单元组成的，每个单元存储一个bit。具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程（烧写）、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。

作为一种非易失性存储器，Flash在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。

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常用的Flash为8位或16位的数据宽度，编程电压为单3.3V。主要的生产厂商为INTEL、ATMEL、AMD、HYUNDAI等。Flash 技术根据不同的应用场合也分为不同的发展方向，有擅长存储代码的NOR Flash和擅长存储数据的NAND Flash。一下对NOR Flash和NAND Flash的技术分别作了相应的介绍。

2、Flash Memory主要特性

与传统的硬盘存储器相比，Flash Memory 具有质量轻、能耗低、体积小、抗震能力强等的优点，但也有不少局限性，主要如下：

.需要先擦除再写入Flash Memory 写入数据时有一定的限制。它只能将当前为 1 的比特改写为 0，而无法将已经为 0 的比特改写为 1，只有在擦除的操作中，才能把整块的比特改写为 1。

块擦除次数有限Flash Memory 的每个数据块都有擦除次数的限制（十万到百万次不等），擦写超过一定次数后，该数据块将没法可靠存储数据，成为坏块。

为了最大化的延长 Flash Memory 的寿命，在软件上须要做擦写均衡（Wear Leveling），通过分散写入、动态映射等伎俩均衡使用各个数据块。同时，软件还须要进行坏块管理（Bad Block Management，BBM），标识坏块，不让坏块参与数据存储。（注：除了擦写导致的坏块外，Flash Memory 在出产过程也会产生坏块，即固有坏块。）

.读写干扰由于硬件实现上的物理特性，Flash Memory 在进行读写操作时，有可能会导致邻近的其他比特发生位翻转，导致数据异常。这种异常可以通过重新擦除来恢复。Flash Memory 应用中通常会使用 ECC 等算法进行错误检测和数据修正。

.电荷泄漏存储在 Flash Memory 存储单元的电荷，如果长期没有使用，会发生电荷泄漏，导致数据错误。不过这个时间比较长，一般十年左右。此种异常是非永久性的，重新擦除可以恢复。

3、Nor Flash 和 Nand Flash

根据硬件上存储原理的不同，Flash Memory 主要可以分为 NOR Flash 和 NAND Flash 两类。主要的差异如下所示：

·NAND Flash 读取速度与 NOR Flash 相近，根据接口的不同有所差异；

·NAND Flash 的写入速度比 NOR Flash 快很多；

·NAND Flash 的擦除速度比 NOR Flash 快很多；

·NAND Flash 最大擦次数比 NOR Flash 多；

·NOR Flash 支持片上执行，可以在上面直接运行代码；

·NOR Flash 软件驱动比 NAND Flash 简单；

·NOR Flash 可以随机按字节读取数据，NAND Flash 需要按块进行读取。

·大容量下 NAND Flash 比 NOR Flash 成本要低很多，体积也更小；（注：NOR Flash 和 NAND Flash 的擦除都是按块块进行的，执行一个擦除或者写入操作时，NOR Flash 大约需要 5s，而 NAND Flash 通常不超过 4ms。）

1、NOR Flash

NOR Flash 依据与 CPU 端接口的不同，能够分为 Parallel NOR Flash 和 Serial NOR Flash 两类。

Parallel NOR Flash 能够接入到 Host 的 SRAM/DRAM Controller 上，所存储的内容能够直接映射到 CPU 地址空间，不须要拷贝到 RAM 中即可被 CPU 访问，因而支持片上执行。Serial NOR Flash 的成本比 Parallel NOR Flash 低，主要通过 SPI 接口与 Host 连接。

鉴于 NOR Flash 擦写速度慢，成本高等特性，NOR Flash 主要应用于小容量、内容更新少的场景，例如 PC 主板 BIOS、路由器系统存储等。

2、NAND Flash

NAND Flash 需要通过专门的 NFI（NAND Flash Interface）与 Host 端进行通信，如下图所示：

NAND Flash 依据每个存储单元内存储比特个数的不同，能够分为 SLC（Single-Level Cell）、MLC（Multi-Level Cell）和 TLC（Triple-Level Cell）三类。其中，在一个存储单元中，SLC 能够存储 1 个比特，MLC 能够存储 2 个比特，TLC 则能够存储 3 个比特。

NAND Flash 的一个存储单元内部，是通过不同的电压等级，来表示其所存储的信息的。在 SLC 中，存储单元的电压被分为两个等级，分别表示 0 和 1 两个状态，即 1 个比特。在 MLC 中，存储单元的电压则被分为 4 个等级，分别表示 00 01 10 11 四个状态，即 2 个比特位。同理，在 TLC 中，存储单元的电压被分为 8 个等级，存储 3 个比特信息。

NAND Flash 的单个存储单元存储的比特位越多，读写性能会越差，寿命也越短，但是成本会更低。Table 1 中，给出了特定工艺和技术水平下的成本和寿命数据。

相比于 NOR Flash，NAND Flash 写入性能好，大容量下成本低。目前，绝大部分手机和平板等移动设备中所使用的 eMMC 内部的 Flash Memory 都属于 NAND Flash。PC 中的固态硬盘中也是使用 NAND Flash。

4、ROW Flash和Managed Flash

由于 Flash Memory 存在按块擦写、擦写次数的限制、读写干扰、电荷泄露等的局限，为了最大程度的发挥 Flash Memory 的价值，通常需要有一个特殊的软件层次，实现坏块管理、擦写均衡、ECC、垃圾回收等的功能，这一个软件层次称为 FTL（Flash Translation Layer）。

在具体实现中，根据 FTL 所在的位置的不同，可以把 Flash Memory 分为 Raw Flash 和 Managed Flash 两类。

1、Raw Flash

在此类应用中，在 Host 端通常有专门的 FTL 或者 Flash 文件系统来实现坏块管理、擦写均衡等的功能。Host 端的软件复杂度较高，但是整体方案的成本较低，常用于价格敏感的嵌入式产品中。

通常我们所说的 NOR Flash 和 NAND Flash 都属于这类型。

2、Managed Flash

Managed Flash 在其内部集成了 Flash Controller，用于完成擦写均衡、坏块管理、ECC校验等功能。相比于直接将 Flash 接入到 Host 端，Managed Flash 屏蔽了 Flash 的物理特性，对 Host 提供规范化的接口，能够减少 Host 端软件的复杂度，让 Host 端专注于上层业务，省去对 Flash 进行特殊的处理。

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Flash存储器，简称Flash，它结合了ROM和RAM的长处，不仅具备电子可擦除可编程的性能，还不会因断电而丢失数据，具有快速读取数据的特点，Flash总类可谓繁多，功能各异，而你对它了解有多少呢？今天就和宏旺半导体一起来看看。

为了让大家更深入了解Flash，今天将主要根据芯片的通信协议并且结合Flash的特点，给大家一个全新认识。在了解之前Flash之前，先要弄清它和DRAM的区别。DRAM即动态随机存取存储器，最为常见的系统内存，DRAM 只能将数据保持很短的时间。FLASH闪存是一种非易失性（ Non-Volatile ）内存，闪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。

　一、IIC EEPROM

IIC EEPROM，采用的是IIC通信协议；IIC通信协议具有的特点：简单的两条总线线路，一条串行数据线(SDA)，一条串行时钟线(SCL)；串行半双工通信模式的8位双向数据传输，位速率标准模式下可达100Kbit/s；一种电可擦除可编程只读存储器，掉电后数据不丢失，由于芯片能够支持单字节擦写，且支持擦除的次数非常之多，一个地址位可重复擦写的理论值为100万次，在实际应用中具有着不可替代的作用。

　二、SPI NorFlash

SPI NorFlash，采用的是SPI 通信协议，有4线(时钟，两个数据线，片选线)或者3线(时钟，两个数据线)通信接口，由于它有两个数据线能实现全双工通信，因此比IIC通信协议的IIC EEPROM的读写速度上要快很多。SPI NorFlash具有NOR技术Flash Memory的特点，即程序和数据可存放在同一芯片上，拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取，允许系统直接从Flash中读取代码执行；可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以Sector为单位或对整片执行擦除操作，在对存储器进行重新编程之前需要对Sector或整片进行预编程和擦除操作。

NorFlash在擦写次数上远远达不到IIC EEPROM，并且由于NOR技术Flash Memory的擦除和编程速度较慢，块尺寸又较大，因此擦除和编程操作所花费的时间会很长;但SPI NorFlash接口简单，使用的引脚少，易于连接，操作方便，并且可以在芯片上直接运行代码，其稳定性出色，传输速率高，在小容量时具有很高的性价比，这使其很适合应于嵌入式系统中作为 FLASH ROM，所以在市场的占用率非常高。

三、Parallel NorFalsh

Parallel NorFalsh,也叫做并行NorFlash,采用的Parallel接口通信协议，拥有独立的数据线和地址总线，它同样继承了NOR技术Flash Memory的所有特点;由于采用了Parallel接口。Parallel NorFalsh相对于SPI NorFlash,支持的容量更大，读写的速度更快，但是由于占用的地址线和数据线太多，在电路电子设计上会占用很多资源。Parallel NorFalsh读写时序类似于SRAM，只是写的次数较少，速度也慢，由于其读时序类似于SRAM，读地址也是线性结构，所以多用于不需要经常更改程序代码的数据存储。

　四、Parallel NandFlash

Parallel NandFlash同样采用了Parallel接口通信协议，NandFlash在工艺制程方面分有三种类型：SLC、MLC、TLC。NandFlash技术Flash Memory具有以下特点：以页为单位进行读和编程操作，以块为单位进行擦除操作;具有快编程和快擦除的功能，其块擦除时间是2ms，而NOR技术的块擦除时间达到几百ms;芯片尺寸小，引脚少，是位成本(bit cost)最低的固态存储器;芯片包含有坏块，其数目取决于存储器密度。坏块不会影响有效块的性能，但设计者需要有一套的坏块管理策略!

对比Parallel NorFalsh，NandFlash在擦除、读写方面，速度快，使用擦写次数更多，并且它强调更高的性能，更低的成本，更小的体积，更大的容量，更长的使用寿命。这使NandFlash很擅于存储纯资料或数据等，在嵌入式系统中用来支持文件系统。其主要用来数据存储，大部分的U盘都是使用NandFlash，当前NandFlash在嵌入式产品中应用仍然极为广泛，因此坏块管理、掉电保护等措施就需要依赖NandFlash使用厂家通软件进行完善。

五、SPI NandFlash

SPI NandFlash，采用了SPI NorFlash一样的SPI的通信协议，在读写的速度上没什么区别，但在存储结构上却采用了与Parallel NandFlash相同的结构，所以SPI nand相对于SPI norFlash具有擦写的次数多，擦写速度快的优势，但是在使用以及使用过程中会同样跟Parallel NandFlash一样会出现坏块，因此，也需要做特殊坏块处理才能使用;

SPI NandFlash相对比Parallel NandFlash还有一个重要的特点，那就是芯片自己有内部ECC纠错模块，用户无需再使用ECC算法计算纠错，用户可以在系统应用当中可以简化代码，简单操作。

对NorFlash 与NandFlash还不明白的朋友，可以点击往期文章【闪存芯片NOR Flash、NAND Flash傻傻分不清楚 ICMAX帮你搞定】回看，有详细讲解。

六、eMMC Flash

eMMC采用统一的MMC标准接口，自身集成MMC Controller，存储单元与NandFlash相同。针对Flash的特性，eMMC产品内部已经包含了Flash管理技术，包括错误探测和纠正，Flash平均擦写，坏块管理，掉电保护等技术。MMC接口速度高达每秒52MBytes，eMMC具有快速、可升级的性能，同时其接口电压可以是 1.8v 或者是 3.3v。

eMMC相当于NandFlash+主控IC ，对外的接口协议与SD、TF卡一样，主要是针对手机或平板电脑等产品的内嵌式存储器标准规格。eMMC的一个明显优势是在封装中集成了一个控制器，它提供标准接口并管理闪存，使得手机厂商就能专注于产品开发的其它部分，并缩短向市场推出产品的时间。这些特点对于希望通过缩小光刻尺寸和降低成本的NAND供应商来说，同样的重要。

eMMC由一个嵌入式存储解决方案组成，带有MMC(多媒体卡)接口、快闪存储器设备(Nand Flash)及主控制器，所有都在一个小型的BGA 封装,最常见的有BGA153封装;我们通常见到的KLMAG8DEDD、THGBMAG8B4JBAIM、EMMC04G-S100等型号都是eMMC Flash。eMMCFlash存储容量大，市场上32GByte容量都常见了，其常见的封装多为BGA153、BGA169、BGA100等。

七、USF2.1

2016年3月，JEDEC发布了UFS 2.0的改进版UFS 2.1标准（JEDEC Standard No. 220C），强化了存储的安全性，比如CPU侧的硬加密功能等，但接口速率没有变化。该标准下得闪存读写速度可以高达每秒1400MB，这相当于在两秒钟内读写两个CD光盘的数据，不仅比eMMC有更巨大的优势，而且它甚至能够让电脑上使用的闪存存储介质固态硬盘也相形见绌。UFS闪存规格采用了新的标准接口，它使用的是串行界面，很像PATA、SATA的转换，并且它支持全双工运行，可同时读写操作，还支持指令队列。相对之下，eMMC是半双工，读写必须分开执行，指令也是打包，在速度上就已经是略逊一筹了，而且UFS芯片不仅传输速度快，功耗也要比eMMC5.1低很多，可以说是旗舰手机闪存的理想搭配。

Flash因功能不同，使用的领域也各异，它在电子市场上应用极为广泛，需求量极大，每日的需求量可达百万的数量级，宏旺半导体ICMAX，针对供应商量身定制Flash，供货充足，深耕行业十五年，与众多知名企业合作，存储器远销海内外，在各个平台应用。

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