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nand flash中plane 你了解FLASH吗？

发布时间 : 2025-03-16

作者 : 小编

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你了解FLASH吗？

@人人能科普，处处有新知FLASH的发展历史FLASH闪存是是一种非易失性（ Non-Volatile ）内存，其名字有闪耀，闪烁的意思，也体现了其读写快速的特点，“读写过程一闪而过”。

首先简单介绍一下FLASH的发展过程。

1.在计算机的发展初期,BIOS都存放在ROM(Read Only Memory,只读存储器)中。ROM内部的资料是在ROM的制造工序中,在工厂里用特殊的方法被烧录进去的,其中的内容只能读不能改,一旦烧录进去,就不能再作任何修改。并且由于ROM是在生产线上生产的,成本高,一般只用在大批量应用的场合。

2.由于ROM制造和升级的不便,后来人们发明了PROM(Programmable ROM,可编程ROM)。用户可以用专用的编程器将自己的资料写入,但是这种机会只有一次,一旦写入后也无法修改。并且其成本比ROM还高,而且写入资料的速度比ROM的速度要慢,一般只适用于少量需求的场合或是ROM量产前的验证。

3.EPROM(Erasable Programmable ROM,可擦除可编程ROM)芯片可重复擦除和写入,解决了ROM、PROM芯片只能写入一次的弊端。EPROM芯片可以重复的擦除和写入，但是EPROM的擦除和写入都需要专用的擦除器和编程器。

4.后来针对EPROM擦除写入必须使用专用设备的弊端，出现了EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM,电可擦除可编程ROM)。EEPROM的擦除不需要借助于其它设备,它是以电子信号来修改其内容的,而且是以Byte为最小修改单位,不必将资料全部洗掉才能写入,彻底摆脱了EPROM Eraser和编程器的束缚。

5.FLASH ROM在使用上很类似EEPROM,因此,有些书籍上便把FLASH ROM作为EEPROM的一种，这可以称为广义EEPROM，而狭义的EEPROM则将二者分开。事实上,二者还是有差别的。FLASH ROM在擦除时,也要执行专用的刷新程序,但是在删除资料时,并非以Byte为基本单位,而是以Sector(又称Block)为最小单位,Sector的大小随厂商的不同而有所不同;只有在写入时,才以Byte为最小单位写入; FLASH ROM的存储容量普遍大于EEPROM。

FLASH的一些基本概念。

完整的FLASH芯片称为device一个device可能包含1个或多个die（LUN），die是具备完整flash芯片功能的模块，对比含1个die的device，区别在于没有封装的就是die，封装后的就是device。Die内可以含多个plane，每个plane具备独立的读、写、擦除功能，但多个plane可以公用控制逻辑寄存器，即在die内，可以同时对多个plane进行相同的操作Plane下最小擦除单元就是block，一个block包含多个page，所有串在同样BL下的page组成一个block。

Page是能够执行编程和读操作的最小单元，同一根WL上的所有数据即page，WL即page.Cell是Page中的最小操作擦写读单元，对应一个浮栅晶体管，可以存储1bit或多bit数据。

FLASH层次结构图

根据FLASH内部存储结构划分，可以将FLASH划分为两类：NOR型和NAND型。Intel于1988年首先开发出NOR Flash 技术，彻底改变了原先由EPROM（Erasable Programmable Read-Only-Memory电可编程序只读存储器）和EEPROM（电可擦只读存储器Electrically Erasable Programmable Read - Only Memory）一统天下的局面。紧接着，1989年，东芝公司发表了NAND Flash 结构，强调降低每比特的成本，有更高的性能，并且像磁盘一样可以通过接口轻松升级。

从字面意思理解，NOR就是NOT OR，就是或非门，因为对于NOR型FLASH来说，只有当字线和位线都为低时，对应的存储单元的数据才是高。

NAND就是NOT AND，就是与非门，因为只有当字线都为高时，位线才为低。对于什么是位线，什么是字线，请看下面两张图，

WORD对应的就是字线，Bit对应的就是位线。

NOR FLASH结构示意

NAND FLASH结构示意

对于FLASH的操作一般分为读、写、擦除，NOR和NAND型FLASH的操作方式上也是有所差异的。NOR型FLASH，采用的是沟道热电子注入（CHE）的方式来写入数据，F-N隧穿效应来擦除数据。而NAND型FLASH，写入和擦除都是利用F-N隧穿效应来实现的。

F-N隧穿效应涉及到很高深的量子理论，不过这个效应很早就被人发现了，是在1957年被日本人发现的。

NOR FLASH和NAND FLASH由于它们不同的存储结构，也表现出了很多不同的特点：

1、容量和成本NOR FLASH在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益NAND FLASH 在大容量场合单位容量成本低

2、性能差别NOR 擦除和写入慢，读取快，可以直接运行代码，NAND 擦除和写入快，读取慢，需要将程序先读入RAM再执行。

3、接口差别nor flash 的接口和RAM一样，而 nand flash 是使用I/O口来串行地存取数据。

4、易用性nor flash可以直接地使用基于 nor flash 地内存，可以直接在上面运行代码而使用 nand flash需要先写入驱动程序，还要将程序先读入RAM再执行。

5、耐用性在nand flash内存中的每个块的最大擦除写次数是100万次，而nor flash 的擦写次数是10万次。

6、主要用途两者的差异也就决定了它们的使用范围的不同，在BIOS、穿戴设备、汽车电子等不需要频繁擦除写入，并且容量要求低的场合，多使用NOR FLASH。而在人们常用的U盘、一些工业设备如PLC、HMI等，则一般使用NAND FLASH。综上，可以将二者的差异汇总为如下表格。

SSD学习笔记-NOR, NAND, FTL, GC基本概念

NOR v.s. NAND

两者都是非易失存储介质。即掉电都不会丢失内容, 在写入前都需要擦除。

NOR有点像内存，支持随机访问，这使它也具有支持XIP（eXecute In Place）的特性，可以像普通ROM一样执行程序。现在几乎所有的BIOS和一些机顶盒上都是使用NOR Flash，它的大小一般在1MB到32MB之间，价格昂贵。

NAND Flash广泛应用在各种存储卡，U盘，SSD，eMMC等等大容量设备中。

NOR VS NAND - 场景

如果以镁光（Micron）自己的NAND和NOR对比的话，详细速度数据如下：

NOR VS NAND - 性能

NAND Flash

NAND Flash目前的用途更为广泛，它的颗粒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。现在高端SSD会选取MLC甚至SLC，低端SSD则选取TLC。SD卡一般选取TLC。

SLC，MLC，TLC

NAND Flash的组成

一个典型的Flash芯片由Package, Die, Plane, Block和Page组成，其中die内部可以通过3D 堆叠技术扩展容量，譬如三星的V-NAND每层容量都有128Gb（16GB），通过3D堆叠技术可以实现最多24层堆叠，这意味着24层堆叠的总容量将达到384GB！

NAND Flash组成

写放大

Block是擦除操作的最小单位，Page是写入动作的最小单位，一个Block包含若干个Pages。当我们有了块干净的Flash，我们第一个想干的事就是写些东西上去，无论我们是写一个byte还是很多东西，必须以page为单位，即写一个byte上去也要写一个page。要修改一个字节，必须要擦除，擦除的最小单元是Block。

Flash Translation Layer (FTL)

NAND flash的寿命是由其擦写次数决定的(P/E数 (Program/Erase Count)来衡量的)，频繁的擦除慢慢的会产生坏块。那么我们如何才能平衡整块Flash的整体擦写次数呢？这就要我们的FTL登场了。

Flash Translation Layer原理

FTL简单来说就是系统维护了一个逻辑Block地址（LBA，logical block addresses ）和物理Block地址（PBA, physical block addresses）的对应关系。有了这层映射关系，我们需要修改时就不需要改动原来的物理块，只需要标记原块为废块，同时找一个没用的新物理块对应到原来的逻辑块上就好了。

垃圾回收（GC，Garbage Collection）机制定期回收这些废块, 和Java，GO等语言的GC机制类似，应用不需要像C/C++那样关注内存释放，GC定期扫描，回收释放内存。目标是让Flash最小化擦除次数，最大化使用寿命。

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