NAND闪存芯片详解

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.
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2Gb NAND器件为例,它由2048个区块组成,每个区块有64个页(见图3).

图3 2GB NAND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(wear leveling)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300μs.读一个页面需要大约25μs,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:

1. .芯片启动(Chip Enable, 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.
2. .写使能(Write Enable, WE#): WE#负责将数据、地址或指令写入NAND之中.
3. .读使能(Read Enable, RE#): RE#允许输出数据缓冲器.
4. .指令锁存使能(Command Latch Enable, 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.
5. .地址锁存使能(Address Latch Enable, 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.
6. .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(chip enable don't care).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).

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

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.图1 不同闪存单元的对比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.