NAND flash和NOR flash原理

NAND flash和NOR flash原理
一、存储数据的原理
两种闪存都是用三端器件作为存储单元，分别为源极、漏极和栅极，与场效应管的工作原理 相同，主要是利用电场的效应来控制源极与漏极之间的通断，栅极的 电流消耗极小，不同 的是场效应管为单栅极结构，而 FLASH 为双栅极结构，在栅极与硅衬底之间增加了一个浮 置栅极。[attach]158 [/attach]
浮置栅极是由氮化物夹在两层二氧化硅材料之间构成的，中间的氮化物就是可以存储电荷的 电荷势阱。上下两层氧化物的厚度大于 50 埃，以避免发生击穿。
二、浮栅的重放电
向数据单元内写入数据的过程就是向电荷势阱注入电荷的过程，写入数据有两种技术，热电 子注入(hot electron injection)和 F-N 隧道效应(Fowler Nordheim tunneling)，前一种是通过源 极给浮栅充电，后一种是通过硅基层给浮栅充电。NOR 型 FLASH 通过热电子注入方式给浮 栅充电，而 NAND 则通过 F-N 隧道效应给浮栅充电。
在写入新数据之前，必须先将原来的数据擦除，这点跟硬盘不同，也就是将浮栅的电荷放掉， 两种 FLASH 都是通过 F-N 隧道效应放电。
三、0 和 1
这方面两种 FLASH 一样，向浮栅中注入电荷表示写入了'0'，没有注入电荷表示'1'，所以对 FLASH 清除数据是写 1 的，这与硬盘正好相反；
对于浮栅中有电荷的单元来说，由于浮栅的感应作用，在源极和漏极之间将形成带正电的空 间电荷区，这时无论控制极上有没有施加偏置电压，晶体管都将处于 导通状态。而对于浮 栅中没有电荷的晶体管来说只有当控制极上施加有适当的偏置电压，在硅基层上感应出电 荷，源极和漏极才能导通，也就是说在没有给控制极施 加偏置电压时，晶体管是截止的。 如果晶体管的源极接地而漏极接位线，在无偏置电压的情况下，检测晶体管的导通状态就可 以获得存储单元中的数据，如果位线上的电平为低，说明晶体管处于 导通状态，读取的数 据为 0，如果位线上为高电平，则说明晶体管处于截止状态，读取的数据为 1。由于控制栅 极在读取数据的过程中施加的电压较小或根本不施加 电压，不足以改变浮置栅极中原有的 电荷量，所以读取操作不会改变 FLASH 中原有的数据。
四、连接和编址方式
两种 FLASH 具有相同的存储单元，工作原理也一样，为了缩短存取时间并不是对每个单元 进行单独的存取操作，而是对一定数量的存取单元进行集体操作， NAND 型 FLASH 各存 储单元之间是串联的，而 NOR 型 FLASH 各单元之间是并联的；为了对全部的存储单元有 效管理，必须对存储单元进行统一编址。
NAND 的全部存储单元分为若干个块，每个块又分为若干个页，每个页是 512byte，就是 512 个 8 位数，就是说每个页有 512 条位线，每条位线下 有 8 个存储单元；那么每页存储的数 据正好跟硬盘的一个扇区存储的数据相同，这是设计时为了方便与磁盘进行数据交换而特意 安排的，那么块就类似硬盘的簇；容 量不同，块的数量不同，组成块的页的数量也不同。 在读取数据时，当字线和位线锁定某个晶体管时，该晶体管的控制极不加偏置电压，其它的 7  个都加上偏置电压 而导通，如果这个晶体管的浮栅中有电荷就会导通使位线为低电平， 读出的数就是 0，反之就是 1。
NOR 的每个存储单元以并联的方式连接到位线，方便对每一位进行随机存取；具有专用的 地址线，可以实现一次性的直接寻址；缩短了 FLASH 对处理器指令的执行时间。 五、性能

NAND flash和NOR flash的区别
一、NAND flash和NOR flash的性能比较
flash闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。由于擦除NOR器件时是以64～128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s，与此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms。执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距，统计表明，对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时)，更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样，当选择存储解决方案时，设计师必须权衡以下的各项因素。
1、NOR的读速度比NAND稍快一些。
2、NAND的写入速度比NOR快很多。
3、NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。
4、大多数写入操作需要先进行擦除操作。
5、NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。
二、NAND flash和NOR flash的接口差别
NOR flash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节。
NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。NAND读和写操作采用512字节的块，这一点有点像硬盘管理此类操作，很自然地，基于NAND的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。
三、NAND flash和NOR flash的容量和成本
NAND flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半，由于生产过程更为简单，NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就相应地降低了价格。
NOR flash占据了容量为1～16MB闪存市场的大部分，而NAND flash只是用在8～128MB的产品当中，这也说明NOR主要应用在代码存储介质中，NAND适合于数据存储，NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存储卡市场上所占份额最大。
四、NAND flash和NOR flash的可靠性和耐用性
采用flahs介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展MTBF的系统来说，Flash是非常合适的存储方案。可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可靠性。
五、NAND flash和NOR flash的寿命(耐用性)
在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而NOR的擦写次数是十万次。NAND存储器除了具有10比1的块擦除周期优势，典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍，每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些。
六、位交换
所有flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下(很少见，NAND发生的次数要比NOR多)，一个比特位会发生反转或被报告反转了。一位的变化可能不很明显，但是如果发生在一个关键文件上，这个小小的故障可能导致系统停机。如果只是报告有问题，多读几次就可能解决了。当然，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。位反转的问题更多见于NAND闪存，NAND的供应商建议使用NAND闪存的时候，同时使用
七、EDC/ECC算法
这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。当然，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时，必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。
八、坏块处理
NAND器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力，但发现成品率太低，代价太高，根本不划算。
NAND器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。在已制成的器件中，如果通过可靠的方法不能进行这项处理，将导致高故障率。
九、易于使用
可以非常直接地使用基于NOR的闪存，可以像其他存储器那样连接，并可以在上面直接运行代码。
由于需要I/O接口，NAND要复杂得多。各种NAND器件的存取方法因厂家而异。在使用NAND器件时，必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操作。向NAND器件写入信息需要相当的技巧，因为设计师绝不能向坏块写入，这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。
十、软件支持
当讨论软件支持的时候，应该区别基本的读/写/擦操作和高一级的用于磁盘仿真和闪存管理算法的软件，包括性能优化。
在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持，在NAND器件上进行同样操作时，通常需要驱动程序，也就是内存技术驱动程序(MTD)，NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。
使用NOR器件时所需要的MTD要相对少一些，许多厂商都提供用于NOR器件的更高级软件，这其中包括M-System的TrueFFS驱动，该驱动被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等厂商所采用。

驱动还用于对DiskOnChip产品进行仿真和NAND闪存的管理，包括纠错、坏块处理和损耗平衡。

Flash编程原理都是只能将1写为0，而不能将0写成1.所以在Flash编程之前，必须将对应的块擦除，而擦除的过程就是将所有位都写为1的过程，块内的所有字节变为0xFF.因此可以说，编程是将相应位写0的过程，而擦除是将相应位写1的过程，两者的执行过程完全相反.

(1)闪存芯片读写的基本单位不同
       应用程序对NorFlash芯片操作以“字”为基本单位.为了方便对大容量NorFlash闪存的管理，通常将NOR闪存分成大小为128KB或64KB的逻辑块，有时块内还分扇区.读写时需要同时指定逻辑块号和块内偏移.应用程序对NandFlash芯片操作是以“块”为基本单位.NAND闪存的块比较小，一般是8KB，然后每块又分成页，页大小一般是512字节.要修改NandFlash芯片中一个字节，必须重写整个数据块.

(2)NorFlash闪存是随机存储介质，用于数据量较小的场合；NandFlash闪存是连续存储介质，适合存放大的数据.

(3)由于NorFlash地址线和数据线分开，所以NorFlash芯片可以像SDRAM一样连在数据线上.NOR芯片的使用类似于通常内存芯片，传输效率高，可执行程序可以在芯片内执行(XI P, eXecute In Place)，这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中.由于NorFlash的这个特点，嵌入式系统中经常将NOR芯片做启动芯片使用.NandFlash共用地址和数据总线，需要额外联结一些控制的输入输出，所以直接将NAND芯片做启动芯片比较难.

 
(4)NandFlash闪存芯片因为共用地址和数据总线的原因，不允许对一个字节甚至一个块进行的数据清空，只能对一个固定大小的区域进行清零操作；NorFlash芯片可以对字进行操作.所以在处理小数据量的I/O操作的时候的速度要快与NorFlash的速度.比如一块NorFlash芯片通常写一个字需要10us，在32位总线上写512字节需要1280us；NandFlash闪存写512字节需要的时间包括：512×每字节50ns+10us的寻页时间+200us的片擦写时间＝234us.

(5)NandFlash闪存的容量比较大，最大容量己达到8G字节.为了方便管理，NandFlash的存储空间使用了块和页两级存储体系，也就是说它的存储空间是二维的，比如K9F5608UOA闪存块的大小为16K，每页大小是512字节，每页还16字节空闲区用来存放错误校验码空间(也称为out-of-band，OOB空间).在进行写操作时，NandFlash闪存每次将一个字节的数据放入内部的缓存区，然后再发出“写指令”进行写操作.由于对NandFlash闪存的操作都是以块和页为单位的，所以在向NandFlash闪存进行大量数据的读写时，NAND的速度要快于NOR闪存.

(6)NorFlash闪存的可靠性要高于NandFlash闪存，是因为NorFlash型闪存的接口简单，数据操作少，位交换操作少，因此可靠性高，极少出现坏区块，一般用在对可靠性要求高的地方.NandFlash型闪存接口和操作均相对复杂，位交换操作也很多，关键性数据更是需安错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法来确保数据的完整性，因此出现问题的几率要大得多，坏区块也是不可避免的，而且由于坏区块是随机分布的，连纠错也无法做到.

 
(7)NANDFlash一般地址线和数据线共用，对读写速度有一定影响；NORFlash闪存数据线和地址线分开，相对而言读写速度快一些.NANDFlash和NORFlash芯片的共性

        首先表现在向芯片中写数据必须先将芯片中对应的内容清空，然后再写入，即先擦后写.只不过NORFlash芯片只用擦写一个字，而NAND需要擦写整个块.其次，闪存擦写的次数都是有限的.当闪存使用接近使用寿命时，经常会出现写操作失败；到达使用寿命时，闪存内部存放的数据虽然可以读，但不能再进行写操作了.所以为了防止上面问题的发生，不能对某个特定的区域反复进行写操作.通常NANDFlash可擦写次数高于NORFlash芯片，但是由于NANDFlash通常是整块擦写，块内的页面中如果有一位失效整个块就会失效，而且由于擦写过程复杂，失败的概率相对较高，所以从整体上来说NOR的寿命较长.
        另一个共性是闪存的读写操作不仅仅是一个物理操作，实际上在闪存上存放数据必须使用算法实现，这个模块一般在驱动程序的MTD'(Memory Technology Drivers)模块中或者在FTLZ (Flash Translation Layer)层内实现，具体算法和芯片的生产厂商以及芯片型号有关系.通过比较可以发现，NAND更适用于复杂的文件应用，但是由于NAND芯片的使用相对复杂，所以对文件系统有较高的要求.

(8)接口对比 
       NorFlash带有通用的SRAM接口，可以轻松地挂接在CPU的地址、数据总线上，对CPU的接口要求低。NorFlash的特点是芯片内执行(XIP,eXecute In Place)，这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中.如uboot中的ro段可以直接在NorFlash上运行，只需要把rw和zi段拷贝到RAM中运行即可.

       NandFlash器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。由于时序较为复杂，所以一般CPU最好集成NandFlash控制器.另外由于NandFlash没有挂接在地址总线上，所以如果想用NandFlash作为系统的启动盘，就需要CPU具备特殊的功能，如s3c2410在被选择为NandFlash启动方式时会在上电时自动读取NandFlash的4k数据到地址0的SRAM中.如果CPU不具备这种特殊功能，用户不能直接运行NandFlash上的代码，那可以采取其他方式，比如好多使用NandFlash的开发板除了使用NandFlash以外，还用上了一块小的NorFlash来运行启动代码. 

(9)容量和成本对比 
       相比起NandFlash来说，NorFlash的容量要小，一般在1~16MByte左右，一些新工艺采用了芯片叠加技术可以把NorFlash的容量做得大一些.在价格方面，NorFlash相比NandFlash来说较高，如目前市场上一片4Mbyte的AM29lv320 NorFlash零售价在20元左右，而一片128MByte的k9f1g08 NandFlash零售价在30元左右.  NandFlash生产过程更为简单，NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，这样也就相应地降低了价格.

(10)可靠性性对比  
       NandFlash器件中的坏块是随机分布的，以前也曾有过消除坏块的努力，但发现成品率太低，代价太高，根本不划算.Nand器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用.在已制成的器件中，如果通过可靠的方法不能进行这项处理，将导致高故障率。而坏块问题在NorFlash上是不存在的.
       在Flash的位翻转(一个bit位发生翻转)现象上，NAND的出现几率要比NorFlash大得多.这个问题在Flash存储关键文件时是致命的，所以在使用NandFlash时建议同时使用EDC/ECC等校验算法