Flash存储

Flash存储简介

介绍关于闪速存储器有关知识 近年来，发展很快的新型半导体存储器是闪速存储器(Flash Memory)。它的主要特点是在不加电的情况下能长期保持存储的信息。就其本质而言，Flash Memory属于EEPROM(电擦除可编程只读存储器)类型。它既有ROM的特点，又有很高的存取速度，而且易于擦除和重写， 功耗很小。目前其集成度已达4MB，同时价格也有所下降。

由于Flash Memory的独特优点，如在一些较新的主板上采用Flash ROM BIOS，会使得BIOS 升级非常方便。 Flash Memory可用作固态大容量存储器。目前普遍使用的大容量存储器仍为硬盘。硬盘虽有容量大和价格低的优点，但它是机电设备，有机械磨损，可靠性及耐用性相对较差，抗冲击、抗振动能力弱，功耗大。因此，一直希望找到取代硬盘的手段。由于Flash Memory集成度不断提高，价格降低，使其在便携机上取代小容量硬盘已成为可能。 目前研制的Flash Memory都符合PCMCIA标准，可以十分方便地用于各种便携式计算机中以取代磁盘。当前有两种类型的PCMCIA卡，一种称为Flash存储器卡，此卡中只有Flash Memory芯片组成的存储体，在使用时还需要专门的软件进行管理。另一种称为Flash驱动卡，此卡中除Flash芯片外还有由微处理器和其它逻辑电路组成的控制电路。它们与IDE标准兼容，可在DOS下象硬盘一样直接操作。因此也常把它们称为Flash固态盘。 Flash Memory不足之处仍然是容量还不够大，价格还不够便宜。因此主要用于要求可靠性高，重量轻，但容量不大的便携式系统中。在586微机中已把BIOS系统驻留在Flash存储器中。

Flash存储定义

FLASH闪存的英文名称是"Flash Memory"，一般简称为"Flash"，它属于内存器件的一种，是一种不挥发性（ Non-Volatile ）内存。闪存的物理特性与常见的内存有根本性的差异：目前各类 DDR 、 SDRAM 或者 RDRAM 都属于挥发性内存，只要停止电流供应内存中的数据便无法保持，因此每次电脑开机都需要把数据重新载入内存；闪存在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘，这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础。

flash存储器
　　
闪存是一种不挥发性（ Non-Volatile ）内存，在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘，这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础。

NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。Intel于1988年首先开发出NOR flash技术,彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面。紧接着,1989年,东芝公司发表了NAND flash结构,强调降低每比特的成本,更高的性能,并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。但是经过了十多年之后,仍然有相当多的硬件工程师分不清NOR和NAND闪存。

相“flash存储器”经常可以与相“NOR存储器”互换使用。许多业内人士也搞不清楚NAND闪存技术相对于NOR技术的优越之处,因为大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码,这时NOR闪存更适合一些。而NAND则是高数据存储密度的理想解决方案。

NOR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。NOR的传输效率很高,在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益,但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。 　

NAND结构能提供极高的单元密度,可以达到高存储密度,并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于flash的管理和需要特殊的系统接口。

Flash存储性能比较
　　
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。

● NOR的读速度比NAND稍快一些。 　　

● NAND的写入速度比NOR快很多。 　　

● NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。 　　

● 大多数写入操作需要先进行擦除操作。 　　

● NAND的擦除单元更小,相应的擦除电路更少。

Flash存储接口差别
　　
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。

Flash存储容量和成本
　　
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。

Flash存储可靠性和耐用性
　　
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。

Flash存储寿命(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。

flash memory的工作原理

经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。例如骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。 　　

量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好象有一个隧道，称作“量子隧道（quantum tunneling）”。 　　

可见，宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应，因为隧穿几率极小，但在某些特定的条件下宏观的隧道效应也会出现。

Flash存储应用

闪存

闪存的存储单元为三端器件，与场效应管有相同的名称：源极、漏极和栅极。栅极与硅衬底之间有二氧化硅绝缘层，用来保护浮置栅极中的电荷不会泄漏。采用这种结构，使得存储单元具有了电荷保持能力，就像是装进瓶子里的水，当你倒入水后，水位就一直保持在那里，直到你再次倒入或倒出，所以闪存具有记忆能力。

与场效应管一样，闪存也是一种电压控制型器件。NAND型闪存的擦和写均是基于隧道效应，电流穿过浮置栅极与硅基层之间的绝缘层，对浮置栅极进行充电（写数据）或放电（擦除数据）。而NOR型闪存擦除数据仍是基于隧道效应（电流从浮置栅极到硅基层），但在写入数据时则是采用热电子注入方式（电流从浮置栅极到源极）。 　　

场效应管工作原理场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者

基于FSMC机制的FlaSh存储器扩展应用

Spansion公司的S29GL系列芯片是采用90nm技术制造的高集成度NOR Flash存储芯片，提供16～128 MB可选容量，支持最快25 NS的页访问速度和11O ns的随机访问速度，带有最大64字节的写缓冲区，以提供更快、更高效的编程，是嵌入式系统设计中大容量存储器扩展的理想选择。本应用选用的型号为S29GL512P，容量为512×64K字（总容量64 MB），扩展到NOR Flash控制器管理的BANK1的第2个子BANK。