1 引 言

随着消费类电子产品包括 PDA ， MP3 、智能手机等手持设备的市场需求逐步扩大，产品间的竞争也愈发激烈，降低产品的设计成本，提升产品的市场竞争力成为嵌入式系统开发者所面临的重大挑战。 NAND FLASH 和 NORFLASH 作为两种主要的非易失性存储器，被应用于各种嵌入式系统。其中 NAND FLASH主要优点在于存储密度高、容量大，有更占优势的存储性价比。但是NANDFLASH 由于其独特的页式读写方式，并不适合程序的直接执行。因此，从NAND FLASH启动需要片上存储器作为代码执行的中转区。本文所讨论的一种系统启动方式，是在缺少片上存储器支持的情况下，实现系统直接从NAND FLASH启动。论文中充分考虑了如何实现软、硬件之间的协同工作，以完成 SOC 系统的设计。

2 NAND FLASH 控制器的结构

本文所讨论的NAND FLASH控制器是针对一款基于 ARM7TDMI 的 SoC 芯片，该控制器在芯片中的位置如图 1 所示，作为 AMBA 总线上的一个从设备集成于 AHB 上。主要模块包括总线接口模块、 FIFO 缓冲模块、 ECC 编码模块以及逻辑控制模块。

总线接口模块主要的功能是转换 AMBA 总线上的控制和数据信号：将总线上的数据送入 FIFO 或将数据从 FIFO 读出到总线上，将总线上的控制信号转换时序后送到控制模块。

NAND 控制器包含一个宽度为 32 b ，深度为 4 的缓冲 FIFO ，用于解决高速总线与低速设备之间数据传输速度的匹配问题。为提高总线的传输效率，以及控制器设计的便利性，NAND FLASH在总线上的数据传输采用 DMA 的方式来完成。譬如在读取 FLASH 一页数据时，数据持续写入控制器 FIFO ， FIFO 满时发出 DMA 传输的请求，同时暂停 FLASH 的数据读取，控制信号 nRE 拉高，直至 DMA 响应请求即 FIFO 不满时， FLASH 的数据传输重新开始。当选择应用的 FLASH 位宽为 8 ，页大小为 (512+16)B 时，控制器需要发出 (32+1) 次 4 拍字宽度的 DMA 传输请求来完成数据和校验信息的读取。

控制模块的上作主要是将总线接口转换的控制信号，按照NAND FLASH的接口协议．将片选、地址、命令、读写使能按照所配置的时序要求，发送到NAND FLASH中，并且控制数据的传输个数，以及 DMA 请求、数据传输完成中断、数据错误中断等系统信号。

NAND FLASH可靠性相对较差，存储器芯片中有坏块的存在，会导致存储数据出错。 ECC 校验模块针对 NAND FLASH的可靠性问题，提供了一种查错、纠错的机制。 ECC 校验码在数据读人时，由硬件计算完成后写入到 FLASH 的校验位中，当此页数据读出时，校验码再次生成与存储器校验位中的数据进行比较，若相同则没有损坏位，若不同，则给出出错中断，软件通过检查比较结果，判断出错位的位置进行纠错处理。纠错功能仅针对单 bit 位的出错，当一个以上位同时在一页中出现时， ECC 校验不能给出出错位正确的位置。

3 NAND FLASH 工作的软件流程

按照上节对控制器结构以及传输机理的分析，NAND FLASH的使用需要在 FLASH 控制器模块以及 DMA 控制器模块的协同下完成，工作的软件流程如图 2 所示。

软件驱动的主要工作是配置 DMA 模块以及 FLASH 控制模块，当传输完成，检测到中断后，软件查询状态寄存器，其中的状态位来自 FLASH 。当一次操作完成后，控制器自动向 FLASH 发出查询状态的命令 0x70 ，读出的状态字保存在控制器的状态寄存器中。

4 NAND FLASH 系统启动的传统模式

目前支持从NAND FLASH启动的 SoC 芯片中，一般都内嵌有片内存储器。各个处理器厂商对这块片上存储器定义的容量大小有所不同，但是启动模式都是比较一致的。NAND FLASH按页顺序读取的方式，意味着对当前的存储地址访问后就无法马上再次访问，需在当前页访问完成后，重新对此页访问时，才可对先前的地址单元再次访问，这就导致了一些程序语句无法执行，譬如跳转、循环等语句的使用。因此NAND FLASH仅作为启动代码的存储区，而真正执行的存储器区域是内嵌的片上存储器或者片外的 SDRAM 。

作者：蔡浩

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摘 要： 主要介绍闪速存储器的特点、技术分类及其发展趋势 , 其中包括闪速存储器的制造工艺、供电、读写操作、擦除次数、功耗等性能比较。

关键词： 闪速存储器 NOR技术 DINOR技术 NAND技术 UltraNAND技术

一、 闪速存储器的特点

　　 闪速存储器（ Flash Memory ）是一类非易失性存储器 NVM （ Non-Volatile Memory ）即使在供电电源关闭后仍能保持片内信息；而诸如 DRAM 、 SRAM 这类易失性存储器，当供电电源关闭时片内信息随即丢失。 Flash Memory 集其它类非易失性存储器的特点：与 EPROM 相比较，闪速存储器具有明显的优势 —— 在系统电可擦除和可重复编程，而不需要特殊的高电压（某些第一代闪速存储器也要求高电压来完成擦除和 / 或编程操作）；与 EEPROM 相比较，闪速存储器具有成本低、密度大的特点。其独特的性能使其广泛地运用于各个领域，包括嵌入式系统，如 PC 及外设、电信交换机、蜂窝电话、网络互联设备、仪器仪表和汽车器件，同时还包括新兴的语音、图像、数据存储类产品，如数字相机、数字录音机和个人数字助理（ PDA ）。

二、 闪速存储器的技术分类

　　 全球闪速存储器的主要供应商有 AMD 、 ATMEL 、 Fujistu 、 Hitachi 、 Hyundai 、 Intel 、 Micron 、 Mitsubishi 、 Samsung 、 SST 、 SHARP 、 TOSHIBA ，由于各自技术架构的不同，分为几大阵营。

1 NOR 技术

NOR

NOR 技术（亦称为 Linear 技术）闪速存储器是最早出现的Flash Memory ，目前仍是多数供应商支持的技术架构。它源于传统的 EPROM 器件，与其它Flash Memory 技术相比，具有可靠性高、随机读取速度快的优势，在擦除和编程操作较少而直接执行代码的场合，尤其是纯代码存储的应用中广泛使用，如 PC 的 BIOS 固件、移动电话、硬盘驱动器的控制存储器等。

NOR 技术Flash Memory 具有以下特点：（ 1 ） 程序和数据可存放在同一芯片上，拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取，允许系统直接从 Flash 中读取代码执行，而无需先将代码下载至 RAM 中再执行；（ 2 ） 可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以块为单位或对整片执行擦除操作，在对存储器进行重新编程之前需要对块或整片进行预编程和擦除操作。由于 NOR 技术 Flash Memory 的擦除和编程速度较慢，而块尺寸又较大，因此擦除和编程操作所花费的时间很长，在纯数据存储和文件存储的应用中， NOR 技术显得力不从心。不过，仍有支持者在以写入为主的应用，如 CompactFlash 卡中继续看好这种技术。

Intel 公司的 StrataFlash 家族中的最新成员 ——28F128J3 ，是迄今为止采用 NOR 技术生产的存储容量最大的闪速存储器件，达到 128Mb （位），对于要求程序和数据存储在同一芯片中的主流应用是一种较理想的选择。该芯片采用 0.25μm 制造工艺，同时采用了支持高存储容量和低成本的 MLC 技术。所谓 MLC 技术（多级单元技术）是指通过向多晶硅浮栅极充电至不同的电平来对应不同的阈电压，代表不同的数据，在每个存储单元中设有 4 个阈电压（ 00/01/10 /11 ），因此可以存储 2b 信息；而传统技术中，每个存储单元只有 2 个阈电压（ 0/1 ），只能存储 1b 信息。在相同的空间中提供双倍的存储容量，是以降低写性能为代价的。 Intel 通过采用称为 VFM （虚拟小块文件管理器）的软件方法将大存储块视为小扇区来管理和操作，在一定程度上改善了写性能，使之也能应用于数据存储中。

DINOR

DINOR(Divided bit-line NOR) 技术是 Mitsubishi 与 Hitachi 公司发展的专利技术，从一定程度上改善了 NOR 技术在写性能上的不足。 DINOR 技术 Flash Memory 和 NOR 技术一样具有快速随机读取的功能，按字节随机编程的速度略低于 NOR ，而块擦除速度快于 NOR 。这是因为 NOR 技术 Flash Memory 编程时，存储单元内部电荷向晶体管阵列的浮栅极移动，电荷聚集，从而使电位从 1 变为 0 ；擦除时，将浮栅极上聚集的电荷移开，使电位从 0 变为 1 。而 DINOR 技术 Flash Memory 在编程和擦除操作时电荷移动方向与前者相反。 DINOR 技术 Flash Memory 在执行擦除操作时无须对页进行预编程，且编程操作所需电压低于擦除操作所需电压，这与 NOR 技术相反。

　　 尽管 DINOR 技术具有针对 NOR 技术的优势，但由于自身技术和工艺等因素的限制，在当前闪速存储器市场中，它仍不具备与发展数十年，技术、工艺日趋成熟的 NOR 技术相抗衡的能力。目前 DINOR 技术 Flash Memory 的最大容量达到 64Mb 。 Mitsubishi 公司推出的 DINOR 技术器件 ——M5M29GB/T320 ，采用 Mitsubishi 和 Hitachi 的专利 BGO 技术，将闪速存储器分为四个存储区，在向其中任何一个存储区进行编程或擦除操作的同时，可以对其它三个存储区中的一个进行读操作，用硬件方式实现了在读操作的同时进行编程和擦除操作，而无须外接 EEPROM 。由于有多条存取通道，因而提高了系统速度。该芯片采用 0.25μm 制造工艺，不仅快速读取速度达到 80ns ，而且拥有先进的省电性能。在待机和自动省电模式下仅有 033μW 功耗，当任何地址线或片使能信号 200ns 保持不变时，即进入自动省电模式。对于功耗有严格限制和有快速读取要求的应用，如数字蜂窝电话、汽车导航和全球定位系统、掌上电脑和顶置盒、便携式电脑、个人数字助理、无线通信等领域中可以一展身手。

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作者：湖南计算机股份有限公司 李力

对于许多消费类音视频产品而言， NAND闪存 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 ( 见图 1) 。虽然 NAND闪存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。

NANDflash的效率较高，是因为 NANDflash 串中没有金属触点。 NAND闪存单元的大小比 NOR 要小 ( 4F 2 ： 10F 2) 的原因，是 NOR 的每一个单元都需要独立的金属触点。 NAND闪存与硬盘驱动器类似，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闪存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闪存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闪存的真正好处是编程速度快、擦除时间短。NAND闪存支持速率超过 5Mbps 的持续写操作，其区块擦除时间短至 2ms ，而 NOR 是 750ms 。显然， NAND闪存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。

图 1 不同闪存单元的对比

图2 NOR闪存随机存取时间0.12ms，而NAND闪存的第一字节随机存取速度要慢得多