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nand flash器件原理 Flash闪存原理，区别与分类

发布时间 : 2024-10-07

作者 : 小编

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Flash闪存原理、区别与分类

Flash（即闪存）是不需要Vpp电压信号的EEPROM，属于非易失性存储器（NVM）。Flash的类型主要分两种，nand flash和nor flash，这种分类方式是根据存储单元在矩阵中的排列方式来分类的。

基本原理：

Floating Gate

Flash存储单元基于浮栅(Floating Gate, FG)技术。MOS晶体管由两个重叠栅极CG（Control Gate）和FG（Floating Gate）构成。FG被隔离孤立在中间，像是浮在空中的小岛，这也就是“浮栅”名字的由来。 FG被氧化物包围，在无外力作用下，电子能在其中长期保留。从浮栅中注入和去除电子的操作分别称为编程（program）和擦除（erase）。这些操作修改了存储单元的阈值电压Vth，存储单元是一种特殊类型的MOS晶体管。在CG端上施加一个固定的电压，就可以区分两个存储级别:当栅极电压高于电池的Vth时，电池是开的(“1”)，否则是关的(“0”)。

NOR Flash 和NAND Flash主要区别：

1，物理结构：

NOR Flash采用并行阵列架构，其中每个cell都可以通过触点直接访问，这也是NOR闪存具有卓越随机性能的原因。

NOR Flash结构

NAND Flash采用串行结构，存储单元以32个或64个为一组进行串联，如图所示。两个选择晶体管被放置在行边缘，以确保与源线(通过Msl)和位线(通过Mdl)的连接。每个NAND行与另一个行共享位行联系。控制门通过字线(wordlines, WLs)连接。

NAND Flash结构

2，存储单元面积、单位成本、读取速度、功耗

由于在物理结构上的差异，导致了两种Flash在面积、单位成本、读取速度及功耗的差异：

NOR Flash：存储单元面积大、单位成本高、读取快、功耗高；

NAND Flash：存储单元面积小、单位成本低、读取慢、功耗低；

NAND flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半,由于生产过程更为简单,NAND结构可以在给定的尺寸内提供更高的容量,也就相应地降低了价格。NOR flash占据了容量为1～16MB闪存市场的大部分,而NAND flash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适合于数据存储。

3，接口及使用

NOR Flash接口类似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。由于NOR flash接口非常直接地使用基于NOR闪存，可以像其他存储器那样连接，并可以在上面直接运行代码。

NAND Flash器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据,各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚分时用来传送控制、地址和数据信息。在使用NAND器件时，必须先写入驱动程序或者硬件控制器支持，才能继续执行其他操作。所以使用上并不如NOR Flash方便容易。

4，位交换

位交换也叫位反转（Bit twiddling/bit flip），即存储值由0变1或者由1变0。所有flash器件都受位交换现象的困扰。所以就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。位反转的问题更多见于NAND闪存,NAND的供应商建议使用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、配置文件或其他敏感信息时,必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。

NOR flash由于物理结构的不同，很小概率出现位反转现象，故无纠错系统。

5，坏块处理

NAND器件中的坏块是随机分布的，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。NOR Flash则几乎无坏块或者很少，所以没有坏块处理模块。

Flash器件：

目前的flash存储器都符合PCMCIA标准，可以方便的用于各种设备上。当前有两种类型的卡：一种为Flash存储器卡，此种卡只有Flash Memory芯片组成的存储体，在使用时还需专门的软件进行管理。另一种称为Flash驱动卡，此种卡中除Flash芯片外还有由微处理器和其他逻辑电路组成的控制电路。

1，Flash存储器卡 ：

Flash存储器卡也称为闪存卡（FlashCard），是利用闪存（FlashMemory）技术达到存储电子信息的存储器，一般应用在数码相机，掌上电脑，MP3等小型数码产品中作为存储介质，所以样子小巧，有如一张卡片，所以称之为闪存卡。根据不同的生产厂商和不同的应用，闪存卡大概有SmartMedia（SM卡）、CompactFlash（CF卡）、MultiMediaCard（MMC卡）、SecureDigital（SD卡）、MemoryStick（记忆棒）、XD-PictureCard（XD卡）和微硬盘（MICRODRIVE）这些闪存卡虽然外观、规格不同，但是技术原理都是相同的。

CF卡

CF卡(Compact Flash)是1994年由SanDisk最先推出的一种闪存卡，它革命性的使用了闪存技术，对所保存的数据来说，CF卡比传统的磁盘驱动器安全性和保护性都更高。路由器、交换器等大多数的网络及电信设备及数码相机仍以CF卡为主要的外部储存装置。

SM卡

SM卡(Smart Media)是由东芝公司在1995年11月退出的Flash Memory存储卡，三星公司在1996年购买了生产和销售许可，这两家公司成为主要的SM卡厂商。SmartMedia卡是市场上常见的微存储卡(但是最大容量只有128MB),一度在MP3播放器上非常的流行。SmartMedia卡被视为软磁盘的替代者，曾是数码相机普遍支持的存储格式，如今已是没落消亡之势。这一格式相比其他而言最大的好处是通过一个名为FlashPath的转换器，可以在标准的3.5英寸软盘驱动器内使用任何容量的SM卡。

MMC卡

MMC卡(MultiMedia Card)卡由西门子公司和首推CF的SanDisk公司于1997年联合推出，号称是目前世界上最小的Flash Memory存储卡。近年MMC卡技术已差不多完全被SD卡所代替，但由于MMC卡仍可被兼容SD卡的设备所读取，因此仍有其作用。

MS卡

MS卡(Memory Stick)通常称为记忆棒，是Sony公司研发并于1998年10月推出市场的，采用了Sony自己的外型、协议、物理格式和版权保护的一种闪存卡。MS卡的规格和同一时间上市的MMC很相似。

SD卡

SD卡(Security Digital Memory Card,译成安全数码卡) 由松下、东芝和SanDisk联合推出，1999年8月才首次发布，大小如一张邮票。SD读卡器对计算机来说类似一个USB的软驱的作用，插上SD卡后的读卡器跟U盘功能是一样的，大小也和普通U盘类似。读卡器与电脑主机之间的连接都是采用USB接口，这种产品是配合数码相机而产生的。有外接式和内置式两种，不少新的个人电脑都已经内置了多功能的读卡器。

TF（MicroSD）卡

TF卡(TransFlash)由SanDisk(闪迪)公司发明创立，是一种主要用于手机的极细小的快闪存储器卡，2004年重命名为MicroSD(顾名思义，就是小SD卡)。几乎只有一片指甲盖的大小，主流台式机、笔记本上均设有直接插槽，通过SD式读卡器连接后可以读写数据。

xD卡

xD卡(eXtreme Digital-Picture Card)是一种专门于数码相机的闪存存储卡，由富士胶卷与奥林巴斯联合于2002年7月发布，用于取代SM卡(SmartMedia Card)。

miniSD卡

miniSD是闪迪2003年发布的极细小型规格标准SD卡，特别设计于移动电话上，并随卡附上minSD转接器，令它能够兼容所有配置了标准SD卡插槽的设备中。

微硬盘MD

微硬盘MD(Microdrive)最早是由IBM公司开发并于1999年上市的一款体积非常微小的硬盘式数据存储设备，用来对抗市面上主流的闪存产品。IBM将旗下硬盘部门卖给了日立(Hitachi)公司，因此自2003年起MicroDrive的技术与专利是由日立公司拥有。微型硬盘具有记忆容量大、读写速率高有点，缺点是较为耗电、容易发热、使用寿限较短和抗震性能差。

2，Flash驱动卡

eMMC卡

eMMC ( Embedded Multi Media Card) 采用统一的MMC标准接口，把高密度NAND Flash以及MMC Controller封装在一颗BGA芯片中。针对Flash的特性，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。用户无需担心产品内部flash晶圆制程和工艺的变化，同时eMMC单颗芯片为主板内部节省更多的空间。

UFS卡

UFS (Universal Flash Storage，通用闪存存储)，UFS是一种高性能接口协议，也代表使用该协议的存储设备，设计用于需要最小化功耗的应用，包括智能手机和平板电脑等移动系统以及汽车应用，其高速串行接口和优化协议可显着提高吞吐量和系统性能。

U盘

U盘(USB flash disk)，据谐音也称“优盘”。U盘是闪存的一种，故有时也称作闪盘。U盘与硬盘的最大不同是，它不需物理驱动器，即插即用，且其存储容量远超过软盘，极便于携带。U盘集磁盘存储技术、闪存技术及通用串行总线技术于一体。相较于其他可携式存储设备，闪存U盘有许多优点：占空间小，通常操作速度较快(USB1.1、2.0、3.0标准)，能存储较多数据，并且性能较可靠(由于没有机械设备)，在读写时断开而不会损坏硬件(软盘在读写时断开马上损坏)，只会丢失数据。这类的磁盘使用USB大量存储设备标准，操作系统如 Linux、 Mac OS X、Unix与 Windows中皆有内置支持。

SSD固态硬盘

SSD（Solid State Drives ，即为固态硬盘），一般由存储单元（Flash或DRAM）和控制单元组成，固态硬盘是目前最主流的一种硬盘，而且在可预见的未来当中，短时间内很难会被其他硬盘替代。SSD读写速度快、防震抗摔性、低功耗、工作温度范围大、轻便。

flash存储器的种类很多，在生活中的应用也越来越广泛，但是价格依然处于昂贵的阶段，而这也限制了flash存储器的使用，希望flash存储器能够摆脱价格昂贵的缺点，真正完全地进入人们的生活。

后记：

关于半导体存储基础及分类请参考：

《半导体存储发展与分类》

https://www.toutiao.com/article/7166887627948589605/?channel=&source=search_tab

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。

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