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在嵌入式系统中应用NAND Flash闪存作为存储设备

发布时间:2008/8/18 0:00:00 访问次数:846

对于许多消费类音视频产品而言,nand flash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。

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。

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。


图1 不同闪存单元的对比

图2 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

对于许多消费类音视频产品而言,nand flash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。

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。

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。


图1 不同闪存单元的对比

图2 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

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