Nand Flash控制器的ECC校验原理及验证.docx
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NandFlash控制器的ECC校验原理及验证
***大学
毕 业 设 计(论文)
题目:
NandFlash控制器的ECC校验原理及验证
姓名 学 号
所在单位
指导教师 完成日期
NandFlash控制器的ECC校验原理及验证
摘要
移动电话的功能日益丰富,其对系统中数据存储容量的需求正在快速增长。
NandFlash具有速度快、密度大、成本低等特点,在各种数码产品中得到了广泛应用,在各种片上系统芯片中(SOC)集成NandFlash控制器正成为一种趋势。
但是,由于加工工艺的局限性,在NandFlash控制器设计时应具有处理存储数据出错的功能。
为解决该问题,本文分析常用的差错控制编码(ECC)算法,以提高NandFlash的读写速度,采用该编码可有效减少存储器数据纠错时间。
关键词:
NandFlash控制器,ECC算法,汉明码
Abstract
Withthedevelopmentofthemultifunctionalmobiletelephone.thedemandforthecapacityofthechip’Smemoryisgrowingataphenomenalrate.Nandflashmemoryhasbecomethepreferreddatastoragesolutionformanydigitalproductsduetoitsfastaccesstime,highdesity,cost,performanceandSOonadvantages.ItbecomesatendencythatNandFlashcontrolleriSintegratedindiversifiedSOC.
Becauseoflimitationofthemanufacturingtechniquecondition,aNandFlashcontrollerisrequiredtohandlethebitserrors.Forsolvingthisquestion,thisessayexpoundbytheanalysisoftheerrorcheckingandcorrection(ECC)designmethodtoacceleratethereadingandwritingprocessforNandFlash.Simulationshowsthatthemethodiseffectivelyreducethememorydataerrorcorrectiontime.
Keywords:
NandFlash,ECCAlgorithm,Hamming
第一章引言
1.1NandFlash的研制背景
NandFlash结构最早是在1989年由日本东芝公司引入。
Nandflash是非易失性存储设备的一种,是非线性存储单元。
具有大容量、成本低等特点。
如今,NandFlash和NorFlash已经占据了Flash市场的支配地位。
由于NandFlash具有高密度,低功耗,低成本等特点,而且是可升级的器件,所以它是多媒体产品导入市场的理想选择。
先进的在系统内设计也使得为降低成本,在传统的设计应用上采用NandFlash来替代NorFlash成为可能,这种优良的特性使得NandFlash控制器开始广泛的研发出来。
图1-1NandFlash芯片举例(三星系列)
1.2NandFlash的应用领域
Nand型闪存,主要功能是存储资料,目前NandFlash已开始广泛运用到电子市场领域。
其主要的应用市场在数码相机,比重高达50%,其次为手机,比重在12%~15%。
种种迹象显示,NandFlash将作为中、高端手机的一种主流存储解决方案正成为一种趋势。
因此,NandFlash有着广阔的发展前景。
1.3NandFlash的研究前景
在FlashMemory的所有现有的实现架构中,NandFlash结构相对其他的实现技术可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量,换句话说即使选用别的FlashMemory能做到相同的容量也会有着更大的尺寸,而通常体积方面的问题往往是像手机等小型移动电子设备的一个限制,从市场上出现的一些FlashMemory的典型容量规格上看,也只有NandFlash才具备GB级甚至更大这样的典型容量规格,因此从容量需求规格上来说,选NandFlash更合适手机大容量的数据存储要求,而且NandFlash的复用接口为所有最新的器件和密度都提供了一种相似的引脚输出。
这种引脚输出使得设计工程师无须改变电路板的硬件设计,就能从较小的密度移植到更大密度的设计上。
从NandFlash本身的应用特点来说,NandFlash适合应用在顺序存取的场合,而手机的多媒体系统从实际应用需求看,无论音乐的播放、照片的存取还是视频的播放基本都是要求顺序存取的,NandFlash适合于这样的应用场合。
最后一点即成本因素,电子产品的竞争,归根结底是价格的竞争,具体到存储器所有的趋势都指向最关键的单位比特成本最小化,在这一点上按目前的情形可以说NandFlash相较于FlashMemory其他的实现技术有着非常明显的性能价格比优势,特别是FlashMemory的另一个主流实现技术NorFlash的固有特性决定了它不可能做到比NandFlash更低的单位比特成本。
而且NandFlash单位比特成本的下降速度很快,目前还没有迹象表明这种下降趋势已经放慢脚步。
FlashMemory的其他实现技术要做到和其在相同的单位比特成本基础上竞争将是困难的。
因此,研究NandFlash具有巨大的实用价值。
第二章NandFlash控制器的特点
2.1NandFlash控制器和NorFlash控制器
FlashMemory中文名字叫闪存,是一种长寿命的非易失性(在断电情况下仍能保持所存储的数据信息)的存储器。
功能特性分为两种:
一种是Nor型闪存,以编码应用为主,其功能多与运算相关;另一种为Nand型闪存,主要功能是存储资料,如数码相机中所用的记忆卡。
Nor和Nand是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。
Intel于1988年首先开发出NorFlash技术,彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面。
紧接着,1989年,东芝公司发表了NandFlash的创意思想,强调降低每比特的成本,更高的性能,并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。
但是经过了十多年之后,仍然有相当多的硬件工程师分不清Nor和Nand闪存。
所以,下面一章来说一下两者的区别。
2.1.1性能比较
flash闪存是非易失存储器,可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。
任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行,所以大多数情况下,在进行写入操作之前必须先执行擦除。
Nand器件执行擦除操作是十分简单的,而Nor则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为1。
由于擦除Nor器件时是以64~128KB的块进行的,执行一个写入/擦除操作的时间为5s,与此相反,擦除Nand器件是以8~32KB的块进行的,执行相同的操作最多只需要4ms。
执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了Nor和Nand之间的性能差距,统计表明,对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时),更多的擦除操作必须在基于Nor的单元中进行。
这样,当选择存储解决方案时,设计师必须权衡以下的各项因素。
●Nor的读速度比Nand稍快一些。
●Nand的写入速度比Nor快很多。
●Nand的擦除速度远比Nor快。
●Nand的擦除单元更小,相应的擦除电路更加简单。
●Nand的实际应用方式要比Nor复杂的多。
●Nor可以直接使用,并在上面直接运行代码,而Nand需要I/O接口,因此使用时需要驱动。
2.1.2接口差别
Norflash带有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。
Nand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个引脚用来传送控制、地址和数据信息。
Nand读和写操作采用512字节的块,这一点有点像硬盘管理此类操作,很自然地,基于Nand的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。
Nor的特点是芯片内执行(XIP,eXecuteInPlace),这样应用程序可以直接在flash闪存内运行,不必再把代码读到系统RAM中。
Nor的传输效率很高,在1~4MB的小容量时具有很高的成本效益,但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。
Nand结构能提供极高的单元密度,可以达到高存储密度,并且写入和擦除的速度也很快。
应用Nand的困难在于flash的管理需要特殊的系统接口。
2.2NandFlash控制器的特点
Nand结构能提供极高的单元密度,可以达到高存储密度,并且写入和擦除的速度也很快。
应用Nand的困难在于flash的管理和需要特殊的系统接口。
2.2.1NandFlash的容量和成本
Nandflash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结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量,也就相应地降低了价格。
Norflash占据了容量为1~16MB闪存市场的大部分,而NandFlash只是用在8~128MB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,Nand在CompactFlash、SecureDigital、PCCards和MMC存储卡市场上所占份额最大。
2.2.2NandFlash的物理构成
NandFlash的数据是以bit的方式保存在memorycell,一般来说,一个cell中只能存储一个bit。
这些cell以8个或者16个为单位,连成bitline,形成所谓的byte(x8)/word(x16),这就是NandDevice的位宽。
这些Line会再组成Page,由于NandFlash有多种结构,本人在网上查的NandFlash是K9F1208,下面以本文就以K9F1208U0M为例,每页528Bytes(512byte(MainArea)+16byte(SpareArea)),每32个page形成一个Block(32*528B)。
具体一片flash上有多少个Block视需要所定。
k9f1208U0M具有4096个block,故总容量为4096*(32*528B)=66MB,但是其中的2MB是用来保存ECC校验码等额外数据的,故实际中可使用的为64MB。
Nandflash以页为单位读写数据,而以块为单位擦除数据。
按照这样的组织方式可以形成所谓的三类地址:
ColumnAddress:
StartingAddressoftheRegister.翻成中文为列地址,地址的低8位
PageAddress:
页地址
BlockAddress:
块地址
对于NandFlash来讲,地址和命令只能在I/O[7:
0]上传递,数据宽度是8位。
2.3NandFlash控制器的缺点
由于NandFlash的生产工艺局限性,一个NandFlash存储不能保证在其整个工作周期中性能的稳定。
在NandFlash的出厂或使用过程中,会产生坏块,从而造成数据存储的
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