Flash原理介绍

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硬件特性：

【Flash的硬件实现机制】

Flash全名叫做Flash Memory，属于非易失性存储设备(Non-volatile Memory Device)，与此相对应的是易失性存储设备(Volatile Memory Device)。关于什么是非易失性/易失性，从名字中就可以看出，非易失性就是不容易丢失，数据存储在这类设备中，即使断电了，也不会丢失，这类设备，除了Flash，还有其他比较常见的入硬盘，ROM等，与此相对的，易失性就是断电了，数据就丢失了，比如大家常用的内存，不论是以前的SDRAM，DDR SDRAM，还是现在的DDR2，DDR3等，都是断电后，数据就没了。

Flash的内部存储是MOSFET，里面有个悬浮门(Floating Gate)，是真正存储数据的单元。

在Flash之前，紫外线可擦除(uv-erasable)的EPROM，就已经采用用Floating Gate存储数据这一技术了。

图1.典型的Flash内存单元的物理结构

数据在Flash内存单元中是以电荷(electrical charge) 形式存储的。存储电荷的多少，取决于图中的外部门（external gate）所被施加的电压，其控制了是向存储单元中冲入电荷还是使其释放电荷。而数据的表示，以所存储的电荷的电压是否超过一个特定的阈值Vth来表示。

【SLC和MLC的实现机制】

Nand Flash按照内部存储数据单元的电压的不同层次，也就是单个内存单元中，是存储1位数据，还是多位数据，可以分为SLC和MLC：

1.       SLC，Single Level Cell:

单个存储单元，只存储一位数据，表示成1或0.

就是上面介绍的，对于数据的表示，单个存储单元中内部所存储电荷的电压，和某个特定的阈值电压Vth，相比，如果大于此Vth值，就是表示1，反之，小于Vth，就表示0.

对于nand Flash的数据的写入1，就是控制External Gate去充电，使得存储的电荷够多，超过阈值Vth，就表示1了。而对于写入0，就是将其放电，电荷减少到小于Vth，就表示0了。

关于为何Nand Flash不能从0变成1，我的理解是，物理上来说，是可以实现每一位的，从0变成1的，但是实际上，对于实际的物理实现，出于效率的考虑，如果对于，每一个存储单元都能单独控制，即，0变成1就是，对每一个存储单元单独去充电，所需要的硬件实现就很复杂和昂贵，同时，所进行对块擦除的操作，也就无法实现之前的，一闪而过的速度了，也就失去了Flash的众多特性了。

2.       MLC，Multi Level Cell：

与SLC相对应，就是单个存储单元，可以存储多个位，比如2位，4位等。其实现机制，说起来比较简单，就是，通过控制内部电荷的多少，分成多个阈值，通过控制里面的电荷多少，而达到我们所需要的存储成不同的数据。比如，假设输入电压是Vin＝4V（实际没有这样的电压，此处只是为了举例方便），那么，可以设计出2的2次方＝4个阈值， 1/4 的Vin＝1V，2/4的Vin＝2V，3/4的Vin＝3V，Vin＝4V，分别表示2位数据00，01，10，11，对于写入数据，就是充电，通过控制内部的电荷的多少，对应表示不同的数据。

对于读取，则是通过对应的内部的电流（与Vth成反比），然后通过一系列解码电路完成读取，解析出所存储的数据。这些具体的物理实现，都是有足够精确的设备和技术，才能实现精确的数据写入和读出的。

单个存储单元可以存储2位数据的，称作2的2次方＝4 Level Cell，而不是2 Level Cell，这点，之前差点搞晕了。。。，同理，对于新出的单个存储单元可以存储4位数据的，称作 2的4次方＝16 Level Cell。

【关于如何识别SLC还是MLC】

Nand Flash设计中，有个命令叫做Read ID，读取ID，意思是读取芯片的ID，就像大家的身份证一样，这里读取的ID中，是读取好几个字节，一般最少是4个，新的芯片，支持5个甚至更多，从这些字节中，可以解析出很多相关的信息，比如此Nand Flash内部是几个芯片（chip）所组成的，每个chip包含了几片（Plane），每一片中的页大小，块大小，等等。在这些信息中，其中有一个，就是识别此flash是SLC还是MLC。下面这个就是最常见的Nand Flash的datasheet中所规定的，第3个字节，3rd byte，所表示的信息，其中就有SLC/MLC的识别信息：

表1.Nand Flash 第3个ID的含义

【Nand Flash的物理存储单元的阵列组织结构】

Nand flash的内部组织结构，此处还是用图来解释，比较容易理解：

图2.Nand Flash物理存储单元的阵列组织结构

上图是K9K8G08U0A的datasheet中的描述。

简单解释就是:

1.一个nand flash由很多个块（Block）组成，块的大小一般是128KB，256KB，512KB，此处是128KB。

2.每个块里面又包含了很多页（page）。每个页的大小，对于现在常见的nand flash多数是2KB，更新的nand flash是4KB，这类的，页大小大于2KB的nand flash，被称作big block，对应的发读写命令地址，一共5个周期(cycle)，而老的nand flash，页大小是256B，512B，这类的nand flash被称作small block，。地址周期只有4个。

而块，也是Nand Flash的擦除操作的基本/最小单位。

3.每一个页，对应还有一块区域，叫做空闲区域（spare area）/冗余区域（redundant area），而Linux系统中，一般叫做OOB（Out Of Band），这个区域，是最初基于Nand Flash的硬件特性：数据在读写时候相对容易错误，所以为了保证数据的正确性，必须要有对应的检测和纠错机制，此机制被叫做EDC(Error Detection Code)/ECC（Error Code Correction, 或者 Error Checking and Correcting），所以设计了多余的区域，用于放置数据的校验值。

页是Nand Flash的写入操作的基本/最小的单位。

【Nand Flash数据存储单元的整体架构】

简单说就是，常见的nand flash，内部只有一个chip，每个chip只有一个plane。

而有些复杂的，容量更大的nand flash，内部有多个chip，每个chip有多个plane。这类的nand flash，往往也有更加高级的功能，比如下面要介绍的Multi Plane Program和Interleave Page Program等。

比如，型号为K9K8G08U0A这个芯片（chip），内部有两个K9F4G08U0A，每个K9F4G08U0A包含了2个Plane，每个Plane是1Gb，所以K9F4G08U0A的大小是1Gb×2＝2Gb＝256MB，因此，K9K8G08U0A内部有2个K9F4G08U0A，即4个Plane，总大小是4×256MB＝1GB。

而型号是K9WAG08U1A的nand flash，内部包含了2个K9K8G08U0A，所以，总容量是K9K8G08U0A的两倍＝1GB×2＝2GB，类似地K9NBG08U5A，内部包含了4个K9K8G08U0A，总大小就是4×1GB＝4GB。

【Flash名称的由来】

Flash的擦除操作是以block块为单位的，与此相对应的是其他很多存储设备，是以bit位为最小读取/写入的单位，Flash是一次性地擦除整个块：在发送一个擦除命令后，一次性地将一个block，常见的块的大小是128KB/256KB。。，全部擦除为1，也就是里面的内容全部都是0xFF了，由于是一下子就擦除了，相对来说，擦除用的时间很短，可以用一闪而过来形容，所以，叫做Flash Memory。中文有的翻译为 （快速）闪存。

【Flash相对于普通设备的特殊性】

1.       上面提到过的，Flash最小操作单位，有些特殊。

一般设备，比如硬盘/内存，读取和写入都是以bit位为单位，读取一个bit的值，将某个值写入对应的地址的位，都是可以按位操作的。

但是Flash由于物理特性，使得内部存储的数据，只能从1变成0，这点，可以从前面的内部实现机制了解到，只是方便统一充电，不方便单独的存储单元去放电，所以才说，只能从1变成0，也就是释放电荷。

所以，总结一下Flash的特殊性如下：

表2.Flash和普通设备相比所具有的特殊性

注：

① 之所以将写操作叫做编程，是因为，flash 和之前的EPROM，EEPROM继承发展而来，而之前的EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)，往里面写入数据，就叫做编程Program，之所以这么称呼，是因为其对数据的写入，是需要用电去擦除/写入的，就叫做编程。

② 对于目前常见的页大小是2K/4K的Nand Flash，其块的大小有128KB/256KB/512KB等。而对于Nor Flash，常见的块大小有64K/32K等。

③在写数据之前，要先擦除，内部就都变成0xFF了，然后才能写入数据，也就是将对应位由1变成0。

文章来源: reborn.blog.csdn.net，作者：李锐博恩，版权归原作者所有，如需转载，请联系作者。

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