FLASH存储器的理解

一、Flash 存储器介绍

    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）。

    Flash 存储器根据其内部架构和实现技术可以分为AND , NAND , NO R , NiNOR 几种,目前占据主流市场的有 NO R Flash和 NAND Flash两大类。NOR Flash 由 Intel 公司于1988 年最初推出。为了提高容量价格比, 东芝公司于 1989 年推出NANDFlash 。

  两种 Flash 技术各有优、缺点以及各自适用的场合 。NOR Flash 和 NAN D Flash都将存储单元组织为块阵列 。块是擦除操作的最小单位,擦除操作将块内所有的位置为“1”。页是读、写操作的基本单位。在对页进行写操作(也叫编程操作)之前需要判断该页内所有的位是否为“1”。如果全部为“1”,则可以进行写操作;否则,需要先对整块进行擦除操作。

    NAND Flash 的页大小通常为512B , 2 KB , 4 KB ,而NOR Flash能够以字节为单位进行数据访问。NANDFlash 的一个块通常 包括 32 , 64 或128 个页。在NAND Flash中 ,每个页包含数据区和带外区两部分。数据区存储用户数据, 带外区存储 ECC(erro rcorrecting codes),地址映射信息等用于Flash 存储管理的信息, 对应的大小通常为512 B 32 B , 2 KB 64 B , 4 KB 128 B。图 1给出典型 NA ND Flash的块和页的结构 。

NOR Flash 以并行的方式连接存储单元,具有分离的控制线、地址线和数据线 ,具有较快的读速度,能够提供片上执行的功能。但写操作和擦除操作的时间较长,且容量低、价格高。因此 NO R Flash多被用于手机、BIOS芯片以及嵌入式系统中进行代码存储 。

    NAND Flash 以串行的方式连接存储单元,复用端口分时传输控制 、地址和数据信号 ,并由一个复杂的I O 控制器为主机提供接口。由于对一个存储单元的访问需要多次地址信号的传输,且每次访问512 B , 2 KB或 4 KB的数据,NAND Flash的读取速度较慢 。但写操作和擦除操作相比 NOR Flash较快 ,且容量大 、价格较低。因此 NAND Flash多被用于数码相机 、MP3播放器、优盘,笔记本电脑中进行数据存储。

二、Flash 存储器与RAM 、磁盘的比较

    Flash 存储器在价格、访问延迟、传输带宽、密度和能耗等方面弥补了RAM 和磁盘之间的差异。与其他存储介质相比 , Flash存储器具有如下优点:

1、与低读、写延迟和包含机械部件的磁盘相比, Flash存储器的读 、写延迟较低 ;

2、统一的读性能 ,寻道和旋转延迟的消除使得随机读性能与顺序读性能几乎一致;

3、低能耗 ,能量消耗显著低于RAM 和磁盘存储器;

4、高可靠性,MTBF(mean time between failures)比磁盘高一个数量级;

5、能适应恶劣环境 ,包括高温、剧烈震动等。

三、Flash 存储器在存储体系结构中的地位探讨

    Flash 存储技术的迅速发展为研究人员提出了新的挑战:如何设计新的存储体系结构以充分利用RA M , Flash存储器以及磁盘的特性。

 关于 Flash 存储器在新的存储体系结构中的地位, 目前可以分为3类:

 代替或部分代替内存;作为磁盘存储系统的读cache或预写日志;作为持久性存储系统。在代替部分内存方面 , Wu 等人研究了一种主要由 Flash 存储器组成的非易失性内存存储系统;Kgil 和M udge 等人提出使用Flash 存储器代替部分内存,实现只需要少量的RAM , 在可接受的性能损失条件下系统整体能耗的显著降低;Flash存储器在价格、访问延迟 、传输带宽、密度和能耗等方面弥补了 RAM和磁盘之间的差异,使得Flash 存储器特别适合于作为介于RAM 和磁盘之间的一级,即读 cache或预写日志 。Dushyanth等人为使用Flash 存储器作为读cache 和预写日志分别作了性能和成本权衡的定量分析。在作为持久性存储系统方面 , 有两种趋势 :用Flash存储器完全代替磁盘;使用Flash 存储器和磁盘的混合存储结构。在笔记本电脑领域 ,用 FlashSSD 完全代替磁盘已经成为现实 ,并且该趋势很可能将延伸到桌面计算机领域。此外,三星公司和微软公司联合推出的混合式硬盘Window s ReadyBoo st ,内置Flash 芯片,能大幅提高硬盘的性能,提供更快的启动和恢复速度 ,降低能耗,为笔记本电脑提供更长的电池续航时间。

致谢：

1、 NAND flash和NOR flash的区别详解SSD和HDD的区别是什么？固态硬盘和机械硬盘区别对比介绍

2、[1]郑文静，李明强，舒继武.Flash 存储技术 [J]. 计算机研究与发展，2010，47（4）：716-726.

3、[2] 张惠臻 ，周 炎 ，王 成. 基于NandFlash的嵌入式大规模数据存储机制 [J]. 华中科技大学学报，2017，45（1）：46-51.