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NANDflash和NORflash的区别详解电子教案
NANDflash和NORflash的区别详解
NANDflash和NORflash的区别详解
ROM和RAM指的都是半导体存储器,ROM是ReadOnlyMemory的缩写,RAM是RandomAccessMemory的缩写。
ROM在系统停止供电的时候仍然可以保持数据,而RAM通常都是在掉电之后就丢失数据,典型的RAM就是计算机的内存。
RAM有两大类,一种称为静态RAM(StaticRAM/SRAM),SRAM速度非常快,是目前读写最快的存储设备了,但是它也非常昂贵,所以只在要求很苛刻的地方使用,譬如CPU的一级缓冲,二级缓冲。
另一种称为动态RAM(DynamicRAM/DRAM),DRAM保留数据的时间很短,速度也比SRAM慢,不过它还是比任何的ROM都要快,但从价格上来说DRAM相比SRAM要便宜很多,计算机内存就是DRAM的。
DRAM分为很多种,常见的主要有FPRAM/FastPage、EDORAM、SDRAM、DDRRAM、RDRAM、SGRAM以及WRAM等,这里介绍其中的一种DDRRAM。
DDRRAM(Date-RateRAM)也称作DDRSDRAM,这种改进型的RAM和SDRAM是基本一样的,不同之处在于它可以在一个时钟读写两次数据,这样就使得数据传输速度加倍了。
这是目前电脑中用得最多的内存,而且它有着成本优势,事实上击败了Intel的另外一种内存标准-RambusDRAM。
在很多高端的显卡上,也配备了高速DDRRAM来提高带宽,这可以大幅度提高3D加速卡的像素渲染能力。
内存工作原理:
内存是用来存放当前正在使用的(即执行中)的数据和程序,我们平常所提到的计算机的内存指的是动态内存(即DRAM),动态内存中所谓的"动态",指的是当我们将数据写入DRAM后,经过一段时间,数据会丢失,因此需要一个额外设电路进行内存刷新操作。
具体的工作过程是这样的:
一个DRAM的存储单元存储的是0还是1取决于电容是否有电荷,有电荷代表1,无电荷代表0。
但时间一长,代表1的电容会放电,代表0的电容会吸收电荷,这就是数据丢失的原因;刷新操作定期对电容进行检查,若电量大于满电量的1/2,则认为其代表1,并把电容充满电;若电量小于1/2,则认为其代表0,并把电容放电,藉此来保持数据的连续性。
ROM也有很多种,PROM是可编程的ROM,PROM和EPROM(可擦除可编程ROM)两者区别是,PROM是一次性的,也就是软件灌入后,就无法修改了,这种是早期的产品,现在已经不可能使用了,而EPROM是通过紫外光的照射擦出原先的程序,是一种通用的存储器。
另外一种EEPROM是通过电子擦出,价格很高,写入时间很长,写入很慢。
举个例子,手机软件一般放在EEPROM中,我们打电话,有些最后拨打的号码,暂时是存在SRAM中的,不是马上写入通过记录(通话记录保存在EEPROM中),因为当时有很重要工作(通话)要做,如果写入,漫长的等待是让用户忍无可忍的。
FLASH存储器又称闪存,它结合了ROM和RAM的长处,不仅具备电子可擦除可编程(EEPROM)的性能,还不会断电丢失数据同时可以快速读取数据(NVRAM的优势),U盘和MP3里用的就是这种存储器。
在过去的20年里,嵌入式系统一直使用ROM(EPROM)作为它们的存储设备,然而近年来Flash全面代替了ROM(EPROM)在嵌入式系统中的地位,用作存储Bootloader以及操作系统或者程序代码或者直接当硬盘使用(U盘)。
目前Flash主要有两种NORFlash和NANDFlash
NORFlash的读取和我们常见的SDRAM的读取是一样,用户可以直接运行装载在NORFLASH里面的代码,这样可以减少SRAM的容量从而节约了成本。
NANDFlash没有采取内存的随机读取技术,它的读取是以一次读取一块的形式来进行的,通常是一次读取512个字节,采用这种技术的Flash比较廉价。
用户不能直接运行NANDFlash上的代码,因此好多使用NANDFlash的开发板,除了使用NANDFlash以外,还作上了一块小的NORFlash来运行启动代码。
一般小容量的用NORFlash,因为其读取速度快,多用来存储操作系统等重要信息,而大容量的用NANDFLASH,最常见的NANDFLASH应用是嵌入式系统采用的DOC(DiskOnChip)和我们通常用的"闪盘",可以在线擦除。
目前市面上的FLASH主要来自Intel,AMD,Fujitsu和Toshiba,而生产NANDFlash的主要厂家有Samsung和Toshiba。
NANDFlash和NORFlash的比较
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结构,强调降低每比特的成本,更高的性能,并且像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。
相"flash存储器"经常可以与相"NOR存储器"互换使用。
许多业内人士也搞不清楚NAND闪存技术相对于NOR技术的优越之处,因为大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码,这时NOR闪存更适合一些。
而NAND则是高数据存储密度的理想解决方案。
NOR是现在市场上主要的非易失闪存技术。
NOR一般只用来存储少量的代码;NOR主要应用在代码存储介质中。
NOR的特点是应用简单、无需专门的接口电路、传输效率高,它是属于芯片内执行(XIP,eXecuteInPlace),这样应用程序可以直接在(NOR型)flash闪存内运行,不必再把代码读到系统RAM中。
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。
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。
NORflash占据了容量为1~16MB闪存市场的大部分。
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。
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NADN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4ms擦除速度远比NOR的5s快。
●大多数写入操作需要先进行擦除操作。
●NAND的擦除单元更小,相应的擦除电路更少。
(注:
NORFLASHSECTOR擦除时间视品牌、大小不同而不同,比如,4MFLASH,有的SECTOR擦除时间为60ms,而有的需要最大6s。
)
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。
3、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。
4、可靠性和耐用性:
采用flahs介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。
对于需要扩展MTBF的系统来说,Flash是非常合适的存储方案。
可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可靠性。
A)寿命(耐用性)
在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次,而NOR的擦写次数是十万次。
NAND存储器除了具有10比1的块擦除周期优势,典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍,每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些。
B)位交换
所有flash器件都受位交换现象的困扰。
在某些情况下(很少见,NAND发生的次数要比NOR多),一个比特(bit)位会发生反转或被报告反转了。
一位的变化可能不很明显,但是如果发生在一个关键文件上,这个小小的故障可能导致系统停机。
如果只是报告有问题,多读几次就可能解决了。
当然,如果这个位真的改变了,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。
C)坏块处理
NAND器件中的坏块是随机分布的。
以前也曾有过消除坏块的努力,但发现成品率太低,代价太高,根本不划算。
NAND器件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。
在已制成的器件中,如果通过可靠的方法不能进行这项处理,将导致高故障率。
5、易于使用:
可以非常直接地使用基于NOR的闪存,可以像其他存储器那样连接,并可以在上面直接运行代码。
由于需要I/O接口,NAND要复杂得多。
各种NAND器件的存取方法因厂家而异。
在使用NAND器件时,必须先写入驱动程序,才能继续执行其他操作。
向NAND器件写入信息需要相当的技巧,因为设计师绝不能向坏块写入,这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。
6、软件支持:
当讨论软件支持的时候,应该区别基本的读/写/擦操作和高一级的用于磁盘仿真和闪存管理算法的软件,包括性能优化。
在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持,在NAND器件上进行同样操作时,通常需要驱动程序,也就是内存技术驱动程序(MTD),NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。
使用NOR器件时所需要的MTD要相对少一些,许多厂商都提供用于NOR器件的更高级软件,这其中包括M-System的TrueFFS驱动,该驱动被WindRiversystem、Microsoft、QNXSoftwaresystem、Symbian和Intel等厂商所采用。
驱动还用于对DiskOnChip产品进行仿真和NAND闪存的管理,包括纠错、坏块处理和损耗平衡。
NORFLASH的主要供应商是INTEL,MICRO等厂商,曾经是FLASH的主流产品,但现在被NANDFLASH挤的比较难受。
它的优点是可以直接从FLASH中运行程序,但是工艺复杂,价格比较贵。
NANDFLASH的主要供应商是SAMSUNG和东芝,在U盘、各种存储卡、MP3播放器里面的都是这种FLASH,由于工艺上的不同,它比NORFLASH拥有更大存储容量,而且便宜。
但也有缺点,就是无法寻址直接运行程序,只能存储数据。
另外NANDFLASH非常容易出现坏区,所以需要有校验的算法。
在掌上电脑里要使用NANDFLASH存储数据和程序,但是必须有NORFLASH来启动。
除了SAMSUNG处理器,其他用在掌上电脑的主流处理器还不支持直接由NANDFLASH启动程序。
因此,必须先用一片小的NORFLASH启动机器,在把OS等软件从NANDFLASH载入SDRAM中运行才行,挺麻烦的。
DRAM利用MOS管的栅电容上的电荷来存储信息,一旦掉电信息会全部的丢失,由于栅极会漏电,所以每隔一定的时间就需要一个刷新机构给这些栅电容补充电荷,并且每读出一次数据之后也需要补充电荷,这个就叫动态刷新,所以称其为动态随机存储器。
由于它只使用一个MOS管来存信息,所以集成度可以很高,容量能够做的很大。
SDRAM比它多了一个与CPU时钟同步。
SRAM利用寄存器来存储信息,所以一旦掉电,资料就会全部丢失,只要供电,它的资料就会一直存在,不需要动态刷新,所以叫静态随机存储器。
以上主要用于系统内存储器,容量大,不需要断电后仍保存数据的。
FlashROM是利用浮置栅上的电容存储电荷来保存信息,因为浮置栅不会漏电,所以断电后信息仍然可以保存。
也由于其机构简单所以集成度可以做的很高,容量可以很大。
Flashrom写入前需要用电进行擦除,而且擦除不同与EEPROM可以以byte(字节)为单位进行,flashrom只能以sector(扇区)为单位进行。
不过其写入时可以byte为单位。
flashrom主要用于bios,U盘,Mp3等需要大容量且断电不丢数据的设备。
PSRAM,假静态随机存储器
背景:
PSRAM具有一个单晶体管的DRAM储存格,与传统具有六个晶体管的SRAM储存格或是四个晶体管与two-loadresistorSRAM储存格大不相同,但它具有类似SRAM的稳定接口,内部的DRAM架构给予PSRAM一些比low-power6TSRAM优异的长处,例如体积更为轻巧,售价更具竞争力。
目前在整体SRAM市场中,有90%的制造商都在生产PSRAM组件。
在过去两年,市场上重要的SRAM/PSRAM供货商有Samsung、Cypress、Renesas、Micron与Toshiba等。
基本原理:
PSRAM就是伪SRAM,内部的内存颗粒跟SDRAM的颗粒相似,但外部的接口跟SRAM相似,不需要SDRAM那样复杂的控制器和刷新机制,PSRAM的接口跟SRAM的接口是一样的。
PSRAM容量有8Mbit,16Mbit,32Mbit等等,容量没有SDRAM那样密度高,但肯定是比SRAM的容量要高很多的,速度支持突发模式,并不是很慢,Hynix,Coremagic,WINBOND.MICRON.CY等厂家都有供应,价格只比相同容量的SDRAM稍贵一点点,比SRAM便宜很多。
PSRAM主要应用于手机,电子词典,掌上电脑,PDA,PMP.MP3/4,GPS接收器等消费电子产品与SRAM(采用6T的技术)相比,PSRAM采用的是1T+1C的技术,所以在体积上更小,同时,PSRAM的I/O接口与SRAM相同.在容量上,目前有4MB,8MB,16MB,32MB,64MB和128MB。
比较于SDRAM,PSRAM的功耗要低很多。
所以对于要求有一定缓存容量的很多便携式产品是一个理想的选择。
各种Flash卡:
数码闪存卡:
主流数码存储介质
数码相机、MP3播放器、掌上电脑、手机等数字设备是闪存最主要的市场。
前面提到,手机领域以NOR型闪存为主、闪存芯片被直接做在内部的电路板上,但数码相机、MP3播放器、掌上电脑等设备要求存储介质具备可更换性,这就必须制定出接口标准来实现连接,闪存卡技术应运而生。
闪存卡是以闪存作为核心存储部件,此外它还具备接口控制电路和外在的封装,从逻辑层面来说可以和闪盘归为一类,只是闪存卡具有更浓的专用化色彩、而闪盘则使用通行的USB接口。
由于历史原因,闪存卡技术未能形成业界统一的工业标准,许多厂商都开发出自己的闪存卡方案。
目前比较常见的有CF卡、SD卡、SM卡、MMC卡和索尼的MemoryStick记忆棒。
CF卡(CompactFlash)
CF卡是美国SanDisk公司于1994引入的闪存卡,可以说是最早的大容量便携式存储设备。
它的大小只有43mm×36mm×3.3mm,相当于笔记本电脑的PCMCIA卡体积的四分之一。
CF卡内部拥有独立的控制器芯片、具有完全的PCMCIA-ATA功能,它与设备的连接方式同PCMCIA卡的连接方式类似,只是CF卡的针脚数多达五十针。
这种连接方式稳定而可靠,并不会因为频繁插拔而影响其稳定性。
CF卡没有任何活动的部件,不存在物理坏道之类的问题,而且拥有优秀的抗震性能,CF卡比软盘、硬盘之类的设备要安全可靠。
CF卡的功耗很低,它可以自适应3.3伏和5伏两种电压,耗电量大约相当于桌面硬盘的百分之五。
这样的特性是出类拔萃的,CF卡出现之后便成为数码相机的首选存储设备。
经过多年的发展,CF卡技术已经非常成熟,容量从最初的4MB飙升到如今的3GB,价格也越来越平实,受到各数码相机制造商的普遍喜爱,CF卡目前在数码相机存储卡领域的市场占有率排在第二位。
MMC卡(MultiMediaCard)
MMC卡是SanDisk公司和德国西门子公司于1997年合作推出的新型存储卡,它的尺寸只有32mm×24mm×1.4mm、大小同一枚邮票差不多;其重量也多在2克以下,并且具有耐冲击、可反复读写30万次以上等特点。
从本质上看,MMC与CF其实属于同一技术体系,两者结构都包括快闪存芯片和控制器芯片,功能也完全一样,只是MMC卡的尺寸超小,而连接器也必须做在狭小的卡里面,导致生产难度和制造成本都很高、价格较为昂贵。
MMC主要应用与移动电话和MP3播放器等体积小的设备
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