NandFlash详述绝对经典.docx

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NandFlash详述绝对经典

Nand-Flash详述（绝对经典）

每一片中的页大小，块大小，等等。

在这些信息中，其中有一个，就是识别此flash是SLC还是MLC。

下面这个就是最常见的NandFlash的datasheet中所规定的，第3个字节，3rdbyte，所表示的信息，其中就有SLC/MLC的识别信息：

Description

I/O7

I/O6

I/O5I/O4

I/O3I/O2

I/O1I/O0

Internal

ChipNumber

1

2

4

8

0 0

0 1

1 0

1 1

CellType

2LevelCell

4LevelCell

8LevelCell

16LevelCell

0 0

0 1

1 0

1 1

Numberof

Simultaneously

ProgrammedPages

1

2

4

8

0 0

0 1

1 0

1 1

InterleaveProgram

Betweenmultiplechips

NotSupport

Support

0

1

CacheProgram

NotSupport

Support

0

1

表1.NandFlash第3个ID的含义

【NandFlash的物理存储单元的阵列组织结构】

Nandflash的内部组织结构，此处还是用图来解释，比较容易理解：

图2.NandFlash物理存储单元的阵列组织结构

上图是K9K8G08U0A的datasheet中的描述。

简单解释就是:

1.一个nandflash由很多个块（Block）组成，

块的大小一般是

-> 128KB，

-> 256KB，

-> 512KB

此处是128KB。

2.每个块里面又包含了很多页（page）。

每个页的大小，

老的nandflash，页大小是256B，512B，

这类的nandflash被称作smallblock，。

地址周期只有4个。

对于现在常见的nandflash多数是2KB，

被称作bigblock，对应的发读写命令地址，一共5个周期（cycle），

更新的nandflash是4KB，

块，也是NandFlash的擦除操作的基本/最小单位。

3.每一个页，对应还有一块区域，叫做空闲区域（sparearea）/冗余区域（redundantarea），而Linux系统中，一般叫做OOB（OutOfBand），这个区域，是最初基于NandFlash的硬件特性：

数据在读写时候相对容易错误，所以为了保证数据的正确性，必须要有对应的检测和纠错机制，此机制被叫做EDC（ErrorDetectionCode）/ECC（ErrorCodeCorrection,或者ErrorCheckingandCorrecting），所以设计了多余的区域，用于放置数据的校验值。

页,是NandFlash的写入操作的基本/最小的单位。

【NandFlash数据存储单元的整体架构】

简单说就是，常见的nandflash，内部只有一个chip，每个chip只有一个plane。

而有些复杂的，容量更大的nandflash，内部有多个chip，每个chip有多个plane。

这类的nandflash，往往也有更加高级的功能，比如下面要介绍的MultiPlaneProgram和InterleavePageProgram等。

比如，型号为K9K8G08U0A这个芯片（chip），

内部有:

K9F4G08U0A（256MB） :

 Plane（1Gb）,Plane（1Gb）

K9F4G08U0A（256MB） :

 Plane（1Gb）,Plane（1Gb）

K9WAG08U1A ，内部包含了2个K9K8G08U0A

K9NBG08U5A ，内部包含了4个K9K8G08U0A

【Flash名称的由来】

Flash的擦除操作是以block块为单位的，与此相对应的是其他很多存储设备，是以bit位为最小读取/写入的单位，Flash是一次性地擦除整个块：

在发送一个擦除命令后，一次性地将一个block，常见的块的大小是128KB/256KB。

。

，全部擦除为1，也就是里面的内容全部都是0xFF了，由于是一下子就擦除了，相对来说，擦除用的时间很短，可以用一闪而过来形容，所以，叫做FlashMemory。

中文有的翻译为（快速）闪存。

【Flash相对于普通设备的特殊性】

1. 上面提到过的，Flash最小操作单位，有些特殊。

一般设备，比如硬盘/内存，读取和写入都是以bit位为单位，读取一个bit的值，将某个值写入对应的地址的位，都是可以按位操作的。

但是Flash由于物理特性，使得内部存储的数据，只能从1变成0，这点，可以从前面的内部实现机制了解到，只是方便统一充电，不方便单独的存储单元去放电，所以才说，只能从1变成0，也就是释放电荷。

所以，总结一下Flash的特殊性如下：

普通设备（硬盘/内存等）

Flash

读取/写入的叫法

读取/写入

读取/编程（Program）①

读取/写入的最小单位

Bit/位

Page/页

擦除（Erase）操作的最小单位

Bit/位

Block/块②

擦除操作的含义

将数据删除/全部写入0

将整个块都擦除成全是1，也就是里面的数据都是0xFF③

对于写操作

直接写即可

在写数据之前，要先擦除，然后再写

表2.Flash和普通设备相比所具有的特殊性

注：

①之所以将写操作叫做编程，是因为，flash和之前的EPROM，EEPROM继承发展而来，而之前的EEPROM（ElectricallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory），往里面写入数据，就叫做编程Program，之所以这么称呼，是因为其对数据的写入，是需要用电去擦除/写入的，就叫做编程。

②对于目前常见的页大小是2K/4K的NandFlash，其块的大小有128KB/256KB/512KB等。

而对于NorFlash，常见的块大小有64K/32K等。

③在写数据之前，要先擦除，内部就都变成0xFF了，然后才能写入数据，也就是将对应位由1变成0。

【NandFlash引脚（Pin）的说明】

图3.NandFlash引脚功能说明

上图是常见的NandFlash所拥有的引脚（Pin）所对应的功能，简单翻译如下：

1. I/O0~I/O7：

用于输入地址/数据/命令，输出数据

2. CLE：

CommandLatchEnable，命令锁存使能，在输入命令之前，要先在模式寄存器中，设置CLE使能

3. ALE：

AddressLatchEnable，地址锁存使能，在输入地址之前，要先在模式寄存器中，设置ALE使能

4. CE#：

ChipEnable，芯片使能，在操作NandFlash之前，要先选中此芯片，才能操作

5. RE#：

ReadEnable，读使能，在读取数据之前，要先使CE＃有效。

6. WE#：

WriteEnable，写使能,在写取数据之前，要先使WE＃有效。

7. WP#：

WriteProtect，写保护

8. R/B#:

Ready/BusyOutput,就绪/忙,主要用于在发送完编程/擦除命令后,检测这些操作是否完成,忙,表示编程/擦除操作仍在进行中,就绪表示操作完成.

9. Vcc：

Power，电源

10. Vss：

Ground，接地

11. N.C：

Non-Connection,未定义，未连接。

[小常识]

在数据手册中，你常会看到，对于一个引脚定义，有些字母上面带一横杠的，那是说明此引脚/信号是低电平有效，比如你上面看到的RE头上有个横线，就是说明，此RE是低电平有效，此外，为了书写方便，在字母后面加“＃”，也是表示低电平有效，比如我上面写的CE＃；如果字母头上啥都没有，就是默认的高电平有效，比如上面的CLE，就是高电平有效。

【为何需要ALE和CLE】

突然想明白了，NandFlash中,为何设计这么多的命令,把整个系统搞这么复杂的原因了:

比如命令锁存使能（CommandLatchEnable,CLE）和地址锁存使能（AddressLatchEnable，ALE），那是因为，NandFlash就8个I/O，而且是复用的，也就是，可以传数据，也可以传地址，也可以传命令，为了区分你当前传入的到底是啥，所以，先要用发一个CLE（或ALE）命令，告诉nandFlash的控制器一声，我下面要传的是命令（或地址），这样，里面才能根据传入的内容，进行对应的动作。

否则,nandflash内部,怎么知道你传入的是数据,还是地址,还是命令啊,也就无法实现正确的操作了.

【NandFlash只有8个I/O引脚的好处】

1. 减少外围引脚：

相对于并口（Parellel）的NorFlash的48或52个引脚来说，的确是大大减小了引脚数目，这样封装后的芯片体积，就小很多。

现在芯片在向体积更小，功能更强，功耗更低发展，减小芯片体积，就是很大的优势。

同时，减少芯片接口，也意味着使用此芯片的相关的外围电路会更简化，避免了繁琐的硬件连线。

2. 提高系统的可扩展性，因为没有像其他设备一样用物理大小对应的完全数目的addr引脚，在芯片内部换了芯片的大小等的改动，对于用全部的地址addr的引脚，那么就会引起这些引脚数目的增加，比如容量扩大一倍，地址空间/寻址空间扩大一倍，所以，地址线数目/addr引脚数目，就要多加一个，而对于统一用8个I/O的引脚的NandFlash，由于对外提供的都是统一的8个引脚，内部的芯片大小的变化或者其他的变化，对于外部使用者（比如编写nandflash驱动的人）来说，不需要关心，只是保证新的芯片，还是遵循同样的接口，同样的时序，同样的命令，就可以了。

这样就提高了系统的扩展性。

【Nandflash的一些典型（typical）特性】

1.页擦除时间是200us，有些慢的有800us。

2.块擦除时间是1.5ms.

3.页数据读取到数据寄存器的时间一般是20us。

4.串行访问（Serialaccess）读取一个数据的时间是25ns，而一些旧的nandflash是30ns，甚至是50ns。

5.输入输出端口是地址和数据以及命令一起multiplex复用的。

以前老的NandFlash，编程/擦除时间比较短，比如K9G8G08U0M，才5K次，而后来很多6.nandflash的编程/擦除的寿命，最多允许的次数，以前的nandflash多数是10K次，也就是1万次，而现在很多新的nandflash，技术提高了，比如，Micron的MT29F1GxxABB，Numonyx的NAND04G-B2D/NAND08G-BxC，都可以达到100K，也就是10万次的编程/擦除。

和之前常见的NorFlash达到同样的使用寿命了。

7.48引脚的TSOP1封装或52引脚的ULGA封装

【NandFlash中的特殊硬件结构】

由于nandflash相对其他常见设备来说，比较特殊，所以，特殊的设备，也有特殊的设计，所以，有些特殊的硬件特性，就有比较解释一下：

1.页寄存器（PageRegister）：

由于NandFlash读取和编程操作来说，一般最小单位是页，所以，nandflash在硬件设计时候，就考虑到这一特性，对于每一片，都有一个对应的区域，专门用于存放，将要写入到物理存储单元中去的或者刚从存储单元中读取出来的，一页的数据，这个数据缓存区，本质上就是一个buffer，但是只是名字叫法不同，datasheet里面叫做PageRegister，此处翻译为页寄存器，实际理解为页缓存，更为恰当些。

注意：

只有写到了这个页缓存中，只有等你发了对应的编程第二阶段的确认命令0x10之后，实际的编程动作才开始，才开始把页缓存中的数据，一点点写到物理存储单元中去。

所以，简单总结一下就是，对于数据的流向，实际是经过了如下步骤：

图4NandFlash读写时的数据流向

【NandFlash中的坏块（BadBlock）】

NandFlash中，一个块中含有1个或多个位是坏的，就成为其为坏块。

坏块的稳定性是无法保证的，也就是说，不能保证你写入的数据是对的，或者写入对了，读出来也不一定对的。

而正常的块，肯定是写入读出都是正常的。

坏块有两种：

（1）一种是出厂的时候，也就是，你买到的新的，还没用过的NandFlash，就可以包含了坏块。

此类出厂时就有的坏块，被称作factory（masked）badblock或initialbad/invalidblock，在出厂之前，就会做对应的标记，标为坏块。

具体标记的地方是，对于现在常见的页大小为2K的NandFlash，是块中第一个页的oob起始位置（关于什么是页和oob，下面会有详细解释）的第1个字节（旧的小页面，pagesize是512B甚至256B的nandflash，坏块标记是第6个字节），如果不是0xFF，就说明是坏块。

相对应的是，所有正常的块，好的块，里面所有数据都是0xFF的。

（2）第二类叫做在使用过程中产生的，由于使用过程时间长了，在擦块除的时候，出错了，说明此块坏了，也要在程序运行过程中，发现，并且标记成坏块的。

具体标记的位置，和上面一样。

这类块叫做worn-outbadblock。

对于坏块的管理，在Linux系统中，叫做坏块管理（BBM，BadBlockManagment），对应的会有一个表去记录好块，坏块的信息，以及坏块是出厂就有的，还是后来使用产生的，这个表叫做 坏块表（BBT，BadBlockTable）。

在Linux内核MTD架构下的NandFlash驱动，和Uboot中NandFlash驱动中，在加载完驱动之后，如果你没有加入参数主动要求跳过坏块扫描的话，那么都会去主动扫描坏块，建立必要的BBT的，以备后面坏块管理所使用。

而关于好块和坏块，NandFlash在出厂的时候，会做出保证：

1.关于好的，可以使用的块的数目达到一定的数目，比如三星的K9G8G08U0M，整个flash一共有4096个块，出厂的时候，保证好的块至少大于3996个，也就是意思是，你新买到这个型号的nandflash，最坏的可能，有3096－3996＝100个坏块。

不过，事实上，现在出厂时的坏块，比较少，绝大多数，都是使用时间长了，在使用过程中出现的。

2.保证第一个块是好的，并且一般相对来说比较耐用。

做此保证的主要原因是，很多NandFlash坏块管理方法中，就是将第一个块，用来存储上面提到的BBT，否则，都是出错几率一样的块，那么也就不太好管理了，连放BBT的地方，都不好找了，^_^。

一般来说，不同型号的NandFlash的数据手册中，也会提到，自己的这个nandflash，最多允许多少个坏块。

就比如上面提到的，三星的K9G8G08U0M，最多有100个坏块。

对于坏块的标记，本质上，也只是对应的flash上的某些字节的数据是非0xFF而已，所以，只要是数据，就是可以读取和写入的。

也就意味着，可以写入其他值，也就把这个坏块标记信息破坏了。

对于出厂时的坏块，一般是不建议将标记好的信息擦除掉的。

uboot中有个命令是“nandscrub”就可以将块中所有的内容都擦除了，包括坏块标记，不论是出厂时的，还是后来使用过程中出现而新标记的。

一般来说，不建议用这个。

不过，我倒是经常用，其实也没啥大碍，呵呵。

最好用“nanderase”只擦除好的块，对于已经标记坏块的块，不擦除。

【nandFlash中页的访问顺序】

在一个块内，对每一个页进行编程的话，必须是顺序的，而不能是随机的。

比如，一个块中有128个页，那么你只能先对page0编程，再对page1编程，。

。

。

。

，而不能随机的，比如先对page3，再page1，page2.，page0，page4，.。

。

。

【片选无关（CEdon’t-care）技术】

很多Nandflash支持一个叫做CEdon’t-care的技术，字面意思就是，不关心是否片选，

那有人会问了，如果不片选，那还能对其操作吗？

答案就是，这个技术，主要用在当时是不需要选中芯片却还可以继续操作的这些情况：

在某些应用，比如录音，音频播放等应用，中，外部使用的微秒（us）级的时钟周期，此处假设是比较少的2us，在进行读取一页或者对页编程时，是对NandFlash操作，这样的串行（SerialAccess）访问的周期都是20/30/50ns，都是纳秒（ns）级的，此处假设是50ns，当你已经发了对应的读或写的命令之后，接下来只是需要NandFlash内部去自己操作，将数据读取除了或写入进去到内部的数据寄存器中而已，此处，如果可以把片选取消，CE#是低电平有效，取消片选就是拉高电平，这样会在下一个外部命令发送过来之前，即微秒量级的时间里面，即2us－50ns≈2us，这段时间的取消片选，可以降低很少的系统功耗，但是多次的操作，就可以在很大程度上降低整体的功耗了。

总结起来简单解释就是：

由于某些外部应用的频率比较低，而NandFlash内部操作速度比较快，所以具体读写操作的大部分时间里面，都是在等待外部命令的输入，同时却选中芯片，产生了多余的功耗，此“不关心片选”技术，就是在NandFlash的内部的相对快速的操作（读或写）完成之后，就取消片选，以节省系统功耗。

待下次外部命令/数据/地址输入来的时候，再选中芯片，即可正常继续操作了。

这样，整体上，就可以大大降低系统功耗了。

注:

NandFlash的片选与否，功耗差别会有很大。

如果数据没有记错的话，我之前遇到我们系统里面的nandflash的片选，大概有5个mA的电流输出呢，要知道，整个系统优化之后的待机功耗，也才10个mA左右的。

【带EDC的拷回操作以及Sector的定义（Copy-BackOperationwithEDC&SectorDefinitionforEDC）】

Copy-Back功能，简单的说就是，将一个页的数据，拷贝到另一个页。

如果没有Copy-Back功能，那么正常的做法就是，先要将那个页的数据拷贝出来放到内存的数据buffer中，读出来之后，再用写命令将这页的数据，写到新的页里面。

而Copy-Back功能的好处在于，不需要用到外部的存储空间，不需要读出来放到外部的buffer里面，而是可以直接读取数据到内部的页寄存器（pageregister）然后写到新的页里面去。

而且，为了保证数据的正确，要硬件支持EDC（ErrorDetectionCode）的，否则，在数据的拷贝过程中，可能会出现错误，并且拷贝次数多了，可能会累积更多错误。

而对于错误检测来说，硬件一般支持的是512字节数据，对应有16字节用来存放校验产生的ECC数值，而这512字节一般叫做一个扇区。

对于2K＋64字节大小的页来说，按照512字节分，分别叫做A，B，C，D区，而后面的64字节的oob区域，按照16字节一个区，分别叫做E，F，G，H区，对应存放A，B，C，D数据区的ECC的值。

总结：

512+16

2K+64：

ABCD-EFGH区

Copy-Back编程的主要作用在于，去掉了数据串行读取出来，再串行写入进去的时间，所以，这部分操作，是比较耗时的，所以此技术可以提高编程效率，提高系统整体性能。

【多片同时编程（SimultaneouslyProgramMultiPlane）】

对于有些新出的NandFlash，支持同时对多个片进行编程，比如上面提到的三星的K9K8G08U0A，内部包含4片（Plane），分别叫做Plane0，Plane1，Plane2，Plane3。

.由于硬件上，对于每一个Plane，都有对应的大小是2048+64=2112字节的页寄存器（PageRegister），使得同时支持多个Plane编程成为可能。

K9K8G08U0A支持同时对2个Plane进行编程。

不过要注意的是，只能对Plane0和Plane1或者Plane2和Plane3，同时编程，而不支持Plane0和Plane2同时编程。

【交错页编程（InterleavePageProgram）】

多片同时编程，是针对一个chip里面的多个Plane来说的，

而此处的交错页编程，是指对多个chip而言的。

可以先对一个chip，假设叫chip1，里面的一页进行编程，然后此时，chip1内部就开始将数据一点点写到页里面，就出于忙的状态了，而此时可以利用这个时间，对出于就绪状态的chip2，也进行页编程，发送对应的命令后，chip2内部也就开始慢慢的写数据到存储单元里面去了，也出于忙的状态了。

此时，再去检查chip1，如果编程完成了，就可以开始下一页的编程了，然后发完命令后，就让其内部慢慢的编程吧，再去检查chip2，如果也是编程完了，也就可以进行接下来的其他页的编程了。

如此，交互操作chip1和chip2，就可以有效地利用时间，使得整体编程效率提高近2倍，大大提高nandflash的编程/擦写速度了。

【随机输出页内数据（RandomDataOutputInaPage）】

在介绍此特性之前，先要说说，与RandomDataOutputInaPage相对应的是，普通的，正常的，sequentialdataoutputinapage。

正常情况下，我们读取数据，都是先发读命令，然后等待数据从存储单元到内部的页数据寄存器中后，我们通过不断地将RE#（ReadEnale，低电平有效）置低，然后从我们开始传入的列的起始地址，一点点读出我们要的数据，直到页的末尾，当然有可能还没到页地址的末尾，就不再读了。

所谓的顺序（sequential）读取也就是，根据你之前发送的列地址的起始地址开始，每读一个字节的数据出来，内部的数据指针就加1，移到下个字节的地址，然后你再读下一个字节数据，就可以读出来你要的数据了，直到读取全部的数据出来为止。

而此处的随机（random）读取，就是在你正常的顺序读取的过程中，

先发一个随机读取的开始命令0x05命令，

再传入你要将内部那个数据指针定位到具体什么地址，也就是2个cycle的列地址，

然后再发随机读取结束命令0xE0，

然后，内部那个数据地址指针，就会移动到你所制定的位置了，

你接下来再读取的数据，就是从那个制定地址开始的数据了。

而nandflash数据手册里面也说了，这样的随机读取，你可以多次操作，没限制的。

请注意，上面你所传入的地址，都是列地址，也就是页内地址，也就是说，对于页大小为2K的nandflash来说，所传入的地址，应该是小于2048+64＝2112的。

不过，实际在nandflash的使用中，好像这种用法很少的。

绝大多数，都是顺序读取数据。

【页编程（写操作）】

Nandflash的写操作叫做编程Program，编程，一般情况下，是以页为单位的。

有的NandFlash，比如K9K8G08U0A，支持部分页编程，但是有一些限制：

在同一个页内的，连续的部分页的编程，不能超过4次。

一般情况下，很少使用到部分页编程，都是以页为单位进行编程操作的。

一个操作，用两个命令去实现，看起来是多余，效率不高，但是实际上，有其特殊考虑，

至少对于