NAND闪存芯片的深入解析

NAND闪存芯片的深入解析2006年09月18日对于许多消费类音视频产品而言，NAND闪存是一种比硬盘驱动器更好的存储方案，这在不超过4GB的低容量应用中表现得犹为明显。随着人们持续追求功耗更低、重量更轻和性能更佳的产品，NAND正被证明极具吸引力。NAND闪存阵列分为一系列128kB的区块(block)，这些区块是NAND器件中最小的可擦除实体。擦除一个区块就是把所有的位(bit)设置为“1”(而所有字节(byte)设置为FFh)。有必要通过编程，将已擦除的位从“1”变为“0〃。最小的编程实体是字节(byte)。一些NOR闪存能同时执行读写操作(见下图1)。虽然NAND不能同时执行读写操作，它可以采用称为“映射(shadowing)”的方法，在系统级实现这一点。这种方法在个人电脑上已经沿用多年，即将BIOS从速率较低的ROM加载到速率较高的RAM上。NAND的效率较高，是因为NAND串中没有金属触点。NAND闪存单元的大小比NOR要小(4F2：10F2)的原因，是NOR的每一个单元都需要独立的金属触点。NAND与硬盘驱动器类似，基于扇区(页)，适合于存储连续的数据，如图片、音频或个人电脑数据。虽然通过把数据映射到RAM上，能在系统级实现随机存取，但是，这样做需要额外的RAM存储空间。此外，跟硬盘一样，NAND器件存在坏的扇区，需要纠错码(ECC)来维持数据的完整性。存储单元面积越小，裸片的面积也就越小。在这种情况下，NAND就能够为当今的低成本消费市场提供存储容量更大的闪存产品。NAND闪存用于几乎所有可擦除的存储卡。NAND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，就能从更小的密度移植到更大密度的设计上。NAND与NOR闪存比较NAND闪存的优点在于写(编程)和擦除操作的速率快，而NOR的优点是具有随机存取和对字节执行写(编程)操作的能力(见下图图2)。NOR的随机存取能力支持直接代码执行(XiP)，而这是嵌入式应用经常需要的一个功能。NAND的缺点是随机存取的速率慢，NOR的缺点是受到读和擦除速度慢的性能制约。NAND较适合于存储文件。如今，越来越多的处理器具备直接NAND接口，并能直接从NAND(没有NOR)导入数据。NAND的真正好处是编程速度快、擦除时间短。NAND支持速率超过5Mbps的持续写操作，其区块擦除时间短至2ms，而NOR是750ms。显然，NAND在某些方面具有绝对优势。然而，它不太适合于直接随机存取。对于16位的器件，NOR闪存大约需要41个I/O引脚；相对而言，NAND器件仅需24个引脚。NAND器件能够复用指令、地址和数据总线，从而节省了引脚数量。复用接口的一项好处，就在于能够利用同样的硬件设计和电路板，支持较大的NAND器件。由于普通的TSOP-1封装已经沿用多年，该功能让客户能够把较高密度的NAND器件移植到相同的电路板上。NAND器件的另外一个好处显然是其封装选项：NAND提供一种厚膜的2Gb裸片或能够支持最多四颗堆叠裸片，容许在相同的TSOP-1封装中堆叠一个8Gb的器件。这就使得一种封装和接口能够在将来支持较高的密度。1不同闪存单元的对比对NOR闪存的随机存取时间为0.12ms，而NAND闪存的第一字节随机存取速度要慢得多NAND基本操作以2GbNAND器件为例，它由2048个区块组成，每个区块有64个页(见图3)。Reg也Pr8「3mNANDMefnoryArr^y8lockEraseperblockSerialOutpui:Reg也Pr8「3mNANDMefnoryArr^y8lockEraseperblockSerialOutpui:3€ns:maxelk)mtOfX30nsSwcb-bjtocC**lc}6舟)3.The2-GbyteiMANDdeviceisorganized2048bfocks,32GBNAND闪存包含2,048个区块每一个页均包含一个2048字节的数据区和64字节的空闲区，总共包含2,112字节。空闲区通常被用于ECC、耗损均衡(wearleveling)和其它软件开销功能，尽管它在物理上与其它页并没有区别。NAND器件具有8或16位接口。通过8或16位宽的双向数据总线，主数据被连接到NAND存储器。在16位模式，指令和地址仅仅利用低8位，而高8位仅仅在数据传输周期使用。擦除区块所需时间约为2ms。一旦数据被载入寄存器，对一个页的编程大约要300口爻读一个页面需要大约25口s，其中涉及到存储阵列访问页，并将页载入16,896位寄存器中。除了I/O总线，NAND接口由6个主要控制信号构成:芯片启动(ChipEnable,CE#):如果没有检测到CE信号，那么，NAND器件就保持待机模式，不对任何控制信号作出响应。写使能(WriteEnable,WE#):WE#负责将数据、地址或指令写入NAND之中。读使能(ReadEnable,RE#):RE#允许输出数据缓冲器。4指令锁存使能(CommandLatchEnable,CLE):当CLE为高时，在WE#信号的上升沿，指令被锁存到NAND指令寄存器中。地址锁存使能(AddressLatchEnable,ALE):当ALE为高时，在WE#信号的上升沿，地址被锁存到NAND地址寄存器中。就绪/忙(Ready/Busy,R/B#):如果NAND器件忙，R/B#信号将变低。该信号是漏极开路，需要采用上拉电阻。

数据每次进/出NAND寄存器都是通过16位或8位接口。当进行编程操作的时候，待编程的数据进入数据寄存器，处于在WE#信号的上升沿。在寄存器内随机存取或移动数据，要采用专用指令以便于随机存取。数据寄存器输出数据的方式与利用RE#信号的方式类似，负责输出现有的数据，并增加到下一个地址。WE#和RE#时钟运行速度极快，达到30ns的水准。当RE#或CE#不为低的时候，输出缓冲器将为三态。这种CE#和RE#的组合使能输出缓冲器，容许NAND闪存与NOR、SRAM或DRAM等其它类型存储器共享数据总线。该功能有时被称为〃无需介意芯片启动(chipenabledon'tcare)”这种方案的初衷是适应较老的NAND器件，它们要求CE#在整个周期为低(译注：根据上下文改写)。^7■Un，*.・Kg*r5、^7■Un，*.・Kg*r5、.i^v:I"UHii 气%邪潺H*.■nrtrrjdciiZhmiEC< ■«-1心上W*4LI既W5-输入寄存器接收到页编程(80h)指令时，内部就会全部重置为1s，使得用户可以只输入他想以0位编程的数据字节.士FaM姆M-'I带有随机数据输入的编程指令。图中加亮的扇区显示，该指令只需要后面跟随着数据的2个字节的地址

所有NAND操作开始时，都提供一个指令周期（表1）。CommjndCommandCyck1NumberofAddress乌姑DataCyd新Required1CommandCycle!ValidDuringBusyPAGEREAD(Mh5HO30hHePAGERPKX密W如HART3thlit)NojPAGEREADCACHEMQCEMARILAST3Fhno部［READ如招用3DATAMM「och5HoP35hNo|RANDOMDATAK£AD斯2KOEOhho]READID咒hifM—NoREADSTATUS:7ChY31PROGRAMPACt180h5lOh惭PROGMUPMfGrfHFMO世晰S~igi~!4o |PROGRAMforNOWLMIAMOVE85h%Joptionaliohno1RANtX)MDATAIW6Sh2椰NC(BLOCKEWSE输,<JHoDOtiNO[RESETffh—Ho—Ye$当输出一串WE#时钟时，通过在I/O位7:0上设置指令、驱动CE#变低且CLE变高，就可以实现一个指令周期。注意：在WE#信号的上升沿上，指令、地址或数据被锁存到NAND器件之中。如表1所示，大多数指令在第二个指令周期之后要占用若干地址周期。注意：复位或读状态指令例外，如果器件忙，就不应该发送新的指令。， -g1^^^—11^—1<ycUIfOT「一呼—1IO*■6iK)2VO1IJOOFirst3CA4CASCM^CAJCA2CAICAOLOWg*LWCA10393iTklird8A7BA4PA4PA3►AJPAIPADFourthBAISBAHS3[tel2fiAlCF&A9BA8fi^hLOWg*LOWtowLCW£N311.十 XP：以2GbNAND器件的寻址方案为例，第一和第二地址周期指定列地址，该列地址指定页内的起始字节（表2）。注意：因为最后一列的位置是2112，该最后位置的地址就是08h（在第二字节中）和3Fh（在第一字节中）。PA5:0指定区块内的页地址，BA16:6指定区块的地址。虽然大多编程和读操作需要完整的5字节地址，在页内随机存取数据的操作仅仅用到第一和第二字节。块擦除操作仅仅需要三个最高字节（第三、第四和第五字节）来选择区块。DataAndspareinformationadjacent[)-MJAfwJ-(Si2hqrfvfe)DMiJbtnl(SIIkq^HiJD1#!.An«<5TJ QifcH心“.E$1JbyttOSfi*rai5mc(CC.*，DataAndsparernformAttonseparate20«bytH G4bytHDiliA#i«日TfF，。O»iAIlihbA!$11 &Att融■§(112lkr*«l>□«<,JLhftt(f1£A^ut67ypjca/sewagemetfxxfsate^hown6:典型的存储方法6:典型的存储方法NANOMemoryArray必阪kg晏宓2112NANOMemoryArray必阪kg晏宓2112矽;>b1byi»ojx T5-orwo-rdSpHgAf43lECC.辟?]：3Shownisthep^gere^deschemode.7页读缓存模式总体而言，NAND的基本操作包括：复位(Reset,FFh)操作、读ID(ReadID,00h)操作、读状态(ReadStatus,70h)操作、编程(Program)操作、随机数据输入(Randomdatainput,85h)操作和读(Read)操作等。将NAND连接到处理器选择内置NAND接口的处理器或控制器的好处很多。如果没有这个选择，有可能在NAND和几乎任何处理器之间设计一个“无粘接逻辑(glueless)”接口。NAND和NOR闪存的主要区别是复用地址和数据总线。该总线被用于指定指令、地址或数据。CLE信号指定指令周期，而ALE信号指定地址周期。利用这两个控制信号，有可能选择指令、地址或数据周期。把ALE连接到处理器的第五地址位，而把CLE连接到处理器的第四地址位，就能简单地通过改变处理器输出的地址，任意选择指令、地址或数据。这容许CLE和ALE在合适的时间自动设置为低。为了提供指令，处理器在数据总线上输出想要的指令，并输出地址O010h；为了输出任意数量的地址周期，处理器仅仅要依次在处理器地址0020h之后输出想要的NAND地址。注意，许多处理器能在处理器的写信号周围指定若干时序参数，这对于建立合适的时序是至关重要的。利用该技术，你不必采用任何粘接逻辑，就可以直接从处理器存取指令、地址和数据。多层单元多层单元（MLC）的每一个单元存储两位，而传统的SLC仅仅能存储一位。MLC技术有显著的密度优越性，然而，与SLC相比（表3），其速度或可靠性稍逊。因此，SLC被用于大多数媒体卡和无线应用，而MLC器件通常被用于消费电子和其它低成本产品。XILC5AXD SLCXjCD逐M AliLii1\V .蛙gIbiLl.rllJvnkh， - vn7GP ofp、wv」企Jr.ArtAh3HP1- srf1t*ilt?*三，土.%，：Ei】t其nd i张匕mdl«4KCyckiMilECCr-A|rdF■■■Na 心5二芝如上所述，NAND需要ECC以确保数据完整性。NAND闪存的每一个页面上都包括额外的存储空间，它就是64个字节的空闲区（每512字节的扇区有16字节）。该区能存储ECC代码及其它像磨损评级或逻辑到物理块映射之类的信息。ECC能在硬件或软件中执行，但是，硬件执行有明显的性能优势。在编程操作期间，ECC单元根据扇区中存储的数据来计算误码校正代码。数据区的ECC代码然后被分别写入到各自的空闲区。当数据被读出时，ECC代码也被读出；运用反操作可以核查读出的数据是否正确。有可能采用ECC算法来校正数据错误。能校正的错误的数量取决于所用算法的校正强度。在硬件或软件中包含ECC，就提供了强大的系统级解决方案。最简单的硬件实现方案是采用简单的汉明（SimpleHamming）码，但