圖解NAND Flash

圖解NAND Flash

Nand-flash記憶體是flash記憶體的-種，其內部採用非線性巨集單元模式，為固態大容量記憶體的實現提供了廉價有效的解決方案。Nand-flash存儲器具有容量較大，改寫速度快，適用於大量資料的存儲，因而在業界得到了越來越廣泛的應用，如嵌入式產品中包括數碼相機、MP3隨身聽記憶卡、體積小巧的U盤等。

記憶體和NOR型快閃記憶體的基本存儲單元是bit，用戶可以隨機訪問任何一個bit的資訊。而NAND型快閃記憶體的基本存儲單元是頁（Page）（可以看到， NAND型快閃記憶體的頁就類似硬碟的磁區，硬碟的一個磁區也為512位元組）。每一頁的有效容量是512位元元組的倍數。所謂的有效容量是指用於資料存儲的部分，實際上還要加上16位元組的校驗資訊，因此我們可以在快閃記憶體廠商的技術資料當中看到“（512+16）Byte”的表示方式。目前2Gb以下容量的NAND型快閃記憶體絕大多數是（512+16）位元組的頁面容量，2Gb以上容量的NAND型快閃記憶體則將頁容量擴大到（2048+64）位元組。

　　NAND型快閃記憶體以塊為單位進行擦除操作。快閃記憶體的寫入操作必須在空白區域進行，如果目標區域已經有資料，必須先擦除後寫入，因此擦除操作是快閃記憶體的基本操作。一般每個塊包含32個512位元組的頁，容量16KB；而大容量快閃記憶體採用2KB頁時，則每個塊包含64個頁，容量128KB。每顆NAND型快閃記憶體 的I/O介面一般是8條，每條資料線每次傳輸（512+16）bit資訊，8條就是（512+16）×8bit，也就是前面說的512位元組。但較大容量的 NAND型快閃記憶體也越來越多地採用16條I/O線的設計，如三星編號K9K1G16U0A的晶片就是64M×16bit的NAND型快閃記憶體，容量1Gb，基本資料單位是（256+8）×16bit，還是512位元組。

　　定址時，NAND型快閃記憶體通過8條I/O介面資料線傳輸位址資訊包，每包傳送 8位元位址資訊。由於快閃記憶體晶片容量比較大，一組8位位址只夠定址256個頁，顯然是不夠的，因此通常一次位元址傳送需要分若干組，佔用若干個時鐘週期。 NAND的位址資訊包括列位址（頁面中的起始操作位址）、塊位址和相應的頁面位址，傳送時分別分組，至少需要三次，佔用三個週期。隨著容量的增大，位元址資訊會更多，需要佔用更多的時鐘週期傳輸，因此NAND型快閃記憶體的一個重要特點就是容量越大，定址時間越長。而且，由於傳送位址週期比其他存儲介質長，因此 NAND型快閃記憶體比其他存儲介質更不適合大量的小容量讀寫請求。

和磁片類似，NAND Flash讀寫資料的基本粒度為頁（page），然而讀、寫資料所需的時間卻不一樣，一般寫入時間是讀出的3到10倍。此外，Flash不允許資料的直接覆蓋寫，必須首先擦除舊有資料才能寫入新的，而擦除的粒度為塊（block），通常一個塊包含有64個頁。擦除的速度是很慢的，而且每一塊的擦除次數也有限，平均為100萬次。下面將給出一個例子來具體說明NAND Flash的特點。下麵是三星K9K8G08U0M晶片的Flash組織結構圖。

NAND Flash 組織結構圖

從圖中可以看出，整個Flash的容量為8448Mbit，其中含有8192個物理塊，每塊包含64個頁，每頁除了2K的資料區之外，還有64位元組的額外空間用於存放錯誤校驗碼等資訊。除了Flash的主體，我們還可以看到一個一頁大小的資料寄存器。事實上，每一次Flash的讀寫操作都需要使用這個寄存器來完成。例如，讀操作實際上分成兩個階段，首先是把指定位址中的整頁數據載入到寄存器中（時間為20微秒），然後再從寄存器輸出資料，可以連續輸出，也可以根據指定偏移量隨機輸出，且隨機輸出的次數不限（每個位元組的輸出週期為20納秒）；而寫操作也分為兩個階段，第一階段是把資料從外界輸入到寄存器，可以整頁輸入，也可以隨機輸入，且隨機輸入的次數不限，每位元組的輸入週期也是20納秒，第二階段便是把寄存器中的資料固化到Flash上，時間為200微秒，每一頁原則上只能有一次固化操作，然而大部分NAND Flash（如本例）允許在同一頁中的幾個片斷按照先後順序分幾次寫入，本例中為4次，這種情況叫做partial page programming。

除了partial page programming，NAND Flash還有另外一種有意思的操作，也和資料寄存器相關，叫做copy-back。就是說，當某個資料頁需要被複製到新的位置時，只需將其載入到資料寄存器中，然後根據接收到的目標位址將該頁數據固化到Flash上新的位置，這樣就省去了整頁數據在寄存器和RAM之間的輸入輸出過程。另外，在資料被載入到寄存器之後，Flash允許程式使用隨機輸入資料的方式改寫該頁的部分內容，然後再固化到目標位置。