nor nand sd卡闪存芯片NOR Flash，NAND Flash傻傻分不清楚 ICMAX帮你搞定

发布时间 : 2024-10-06

作者 : 小编

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闪存芯片NOR Flash、NAND Flash傻傻分不清楚 ICMAX帮你搞定

通过前天的文章介绍，我们知道eMMC 是 Flash Memory 的一类，eMMC的内部组成是NAND flash+主控IC，那什么是Flash Memory、NOR Flash、NAND Flash，宏旺半导体就和大家好好捋一捋它们几者之间的关系。

Flash Memory 是一种非易失性的存储器。在嵌入式系统中通常用于存放系统、应用和数据等。在 PC 系统中，则主要用在固态硬盘以及主板 BIOS 中。另外，绝大部分的 U 盘、SDCard 等移动存储设备也都是使用 Flash Memory 作为存储介质。

1. Flash Memory 的主要特性

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，该数据块将无法可靠存储数据，成为坏块。

为了最大化的延长 Flash Memory 的寿命，在软件上需要做擦写均衡（Wear Leveling），通过分散写入、动态映射等手段均衡使用各个数据块。同时，软件还需要进行坏块管理（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 在生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。

2. 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。）

2.1 NOR Flash

NOR Flash 根据与 CPU 端接口的不同，可以分为 Parallel NOR Flash 和 Serial NOR Flash 两类。

Parallel NOR Flash 可以接入到 Host 的 SRAM/DRAM Controller 上，所存储的内容可以直接映射到 CPU 地址空间，不需要拷贝到 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。

图片： Parallel NOR Flash 与 Serial NOR Flash

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。

2.2 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：

图片：NAND Flash Interface

NAND Flash 根据每个存储单元内存储比特个数的不同，可以分为 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 可以存储 1 个比特，MLC 可以存储 2 个比特，TLC 则可以存储 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。

图片： SLC、MLC 与 TLC

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。下图中，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。

3. Raw 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。

图片： Raw Flash 和 Managed Flash

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。

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 提供标准化的接口，可以减少 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。eMMC、SD Card、UFS、U 盘等产品是属于 Managed Flash 这一类。

看完这篇文章，相信对Flash memory都会有一个全面的了解，无论是其原理，还是NOR Flash 和 NAND Flash、Raw Flash 和 Managed Flash 之间的异同，欢迎关注宏旺半导体，会持续带来存储领域更专业的文章。

【贴片SD Card介绍】贴片式tf卡SD NANDSD20协议

申请到雷龙发展代理的CS创世贴片 SD Card (SD NAND) 样品，做出测试，分享一下。

型号：CSNP32GCR01-BOW；CSNP4GCR01-BOW

生产方：CS创世半导体

总代理官方网站：深圳市雷龙发展有限公司

目前雷龙发展代理的 SD NAND 已可在立创商城搜索到，其详情页也附有手册。

芯片简介

芯片外观及封装

实拍图：

根据官方文档介绍，此款芯片采用 LGA-8 封装，标准SDIO接口，兼容SPI/SD接口。

标准的SD 2.0协议可以直接移植标准驱动代码，支持TF卡启动的SOC都可以用SD NAND。

芯片主要参数(以CSNP32GCR01-BOW手册为准)

Interface: Standard SD Specification Version 2.0 with 1-I/O and 4-I/O.

Default mode: Variable clock rate 0 - 25 MHz, up to 12.5 MB/sec interface speed (using 4 parallel data lines)

High-Speed mode: Variable clock rate 0 - 50 MHz, up to 25 MB/sec interface speed (using 4 parallel data lines)

高速模式下，可达到 25MB/s 的传输速度，在普通模式下也有 12.5MB/s 的传输速度。

端口信息对比

SD NAND 接口信息

SD Card 接口信息

micro SD：

SD：

可以对比，除引脚分布外，在引脚功能上SD NAND 和 SD Card 并无明显差别。

参考设计电路图

从所给的参考电路来看，与设计 SD卡托所需外围电路基本一致，不用修改外围器件或原理图，只需少量修改 PCB 布局即可实现替换。

NAND Flash Menory

介绍 NAND Flash 有关资料均来自 KIOXIA 官网。

存储单元结构

下图为闪存的内部存储单元结构（横截面）。存储单元是数据存储的最小单位。通过将电子移入或者移出封闭在绝缘体中的电荷存储膜来存储数据。

写入擦除操作

当高压（Vcg(++)）施加到控制栅极(control gate)时，电子穿过绝缘体(Insulator)并从硅衬底(Silocon substrate)进入电荷存储膜(Charge storage film)（如图a）。当电源关闭时，此存储电子的状态仍会存在。当在硅衬底侧施加高电压（Vw(++)）时，电子穿过绝缘体并从电荷存储膜离开到硅衬底侧（如图b）。这就是存储单元写入数据和擦除数据的操作。

数据0和数据1判定

当向控制栅极施加恒定电压（读出电压Vcg(+)）时，数据”0“和”1“取决于电流是否在存储单元内横向流动。当电压逐渐施加到控制栅极时，电流开始在存储单元中流动的控制栅电压被称为阈值电压。”0“和”1“的判断是利用该阈值电压根据电荷存储膜中是否存在电子而变化的事实来执行的。在电荷存储膜中有电子的状态下（数据”0“），阈值电压高于读出电压Vcg(+)，所以电流不流动（如图a）。在电荷存储膜中没有电子的状态下（数据”1“），阈值电压低于读出电压Vcg(+)，因此电流流动。

即使是电源关闭，状态仍然会保留，即断电不丢失。

NAND Flash

存储单元串联排列的结构称为 NAND Flash，NAND Flash的一个特点是可以高密度排列存储单元。

NAND Flash 相比较于 NOR Flash 容量更大，擦写速度更快。作为存储数据是不错的选择。

传输速度测量

以 CSNP4GCR01-BOW 为例子：

这个芯片又不往电脑上用，测速就略微看看，做个参考就得了。

SD卡控制

对于 NAND SD卡的控制，官方有提供基于 STM32 的测试程序，这里由于篇幅原因，不做过多介绍，其与普通 SD Card 基本相同。

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【本文转载自CSDN，作者：喜暖知寒】