NandFlash詳述

【Flash的硬件實現機制】

Flash全名叫做Flash Memory，屬於非易失性存儲設備(Non-volatile Memory Device)，與此相對應的是易失性存儲設備(Volatile Memory Device)。關於什麼是非易失性/易失性，從名字中就可以看出，非易失性就是不容易丟失，數據存儲在這類設備中，即使斷電了，也不會丟失，這類設備，除了Flash，還有其他比較常見的入硬盤，ROM等，與此相對的，易失性就是斷電了，數據就丟失了，比如大家常用的內存，不論是以前的SDRAM，DDR SDRAM，還是現在的DDR2，DDR3等，都是斷電後，數據就沒了。

Flash的內部存儲是MOSFET，裏面有個懸浮門(Floating Gate)，是真正存儲數據的單元。

在Flash之前，紫外線可擦除(uv-erasable)的EPROM，就已經採用用Floating Gate存儲數據這一技術了。

圖1.典型的Flash內存單元的物理結構

數據在Flash內存單元中是以電荷(electrical charge) 形式存儲的。存儲電荷的多少，取決於圖中的外部門（external gate）所被施加的電壓，其控制了是向存儲單元中衝入電荷還是使其釋放電荷。而數據的表示，以所存儲的電荷的電壓是否超過一個特定的閾值Vth來表示。

【SLC和MLC的實現機制】

Nand Flash按照內部存儲數據單元的電壓的不同層次，也就是單個內存單元中，是存儲1位數據，還是多位數據，可以分爲SLC和MLC：

1. SLC，Single Level Cell:

單個存儲單元，只存儲一位數據，表示成1或0.

就是上面介紹的，對於數據的表示，單個存儲單元中內部所存儲電荷的電壓，和某個特定的閾值電壓Vth，相比，如果大於此Vth值，就是表示1，反之，小於Vth，就表示0.

對於nand Flash的數據的寫入1，就是控制External Gate去充電，使得存儲的電荷夠多，超過閾值Vth，就表示1了。而對於寫入0，就是將其放電，電荷減少到小於Vth，就表示0了。

關於爲何Nand Flash不能從0變成1，我的理解是，物理上來說，是可以實現每一位的，從0變成1的，但是實際上，對於實際的物理實現，出於效率的考慮，如果對於，每一個存儲單元都能單獨控制，即，0變成1就是，對每一個存儲單元單獨去充電，所需要的硬件實現就很複雜和昂貴，同時，所進行對塊擦除的操作，也就無法實現之前的，一閃而過的速度了，也就失去了Flash的衆多特性了。

2. MLC，Multi Level Cell：

與SLC相對應，就是單個存儲單元，可以存儲多個位，比如2位，4位等。其實現機制，說起來比較簡單，就是，通過控制內部電荷的多少，分成多個閾值，通過控制裏面的電荷多少，而達到我們所需要的存儲成不同的數據。比如，假設輸入電壓是Vin＝4V（實際沒有這樣的電壓，此處只是爲了舉例方便），那麼，可以設計出2的2次方＝4個閾值， 1/4 的Vin＝1V，2/4的Vin＝2V，3/4的Vin＝3V，Vin＝4V，分別表示2位數據00，01，10，11，對於寫入數據，就是充電，通過控制內部的電荷的多少，對應表示不同的數據。

對於讀取，則是通過對應的內部的電流（與Vth成反比），然後通過一系列解碼電路完成讀取，解析出所存儲的數據。這些具體的物理實現，都是有足夠精確的設備和技術，才能實現精確的數據寫入和讀出的。

單個存儲單元可以存儲2位數據的，稱作2的2次方＝4 Level Cell，而不是2 Level Cell，這點，之前差點搞暈了。。。，同理，對於新出的單個存儲單元可以存儲4位數據的，稱作 2的4次方＝16 Level Cell。

【關於如何識別SLC還是MLC】

Nand Flash設計中，有個命令叫做Read ID，讀取ID，意思是讀取芯片的ID，就像大家的身份證一樣，這裏讀取的ID中，是讀取好幾個字節，一般最少是4個，新的芯片，支持5個甚至更多，從這些字節中，可以解析出很多相關的信息，比如此Nand Flash內部是幾個芯片（chip）所組成的，每個chip包含了幾片（Plane），每一片中的頁大小，塊大小，等等。在這些信息中，其中有一個，就是識別此flash是SLC還是MLC。下面這個就是最常見的Nand Flash的datasheet中所規定的，第3個字節，3rd byte，所表示的信息，其中就有SLC/MLC的識別信息：

	Description	I/O7	I/O6	I/O5 I/O4	I/O3 I/O2	I/O1 I/O0
Internal Chip Number	1 2 4 8					0 0 0 1 1 0 1 1
Cell Type	2 Level Cell 4 Level Cell 8 Level Cell 16 Level Cell				0 0 0 1 1 0 1 1
Number of Simultaneously Programmed Pages	1 2 4 8			0 0 0 1 1 0 1 1
Interleave Program Between multiple chips	Not Support Support		0 1
Cache Program	Not Support Support	0 1

表1.Nand Flash 第3個ID的含義

【Nand Flash的物理存儲單元的陣列組織結構】

Nand flash的內部組織結構，此處還是用圖來解釋，比較容易理解：

圖2.Nand Flash物理存儲單元的陣列組織結構

上圖是K9K8G08U0A的datasheet中的描述。

簡單解釋就是:

1.一個nand flash由很多個塊（Block）組成，塊的大小一般是128KB，256KB，512KB，此處是128KB。

2.每個塊裏面又包含了很多頁（page）。每個頁的大小，對於現在常見的nand flash多數是2KB，更新的nand flash是4KB，這類的，頁大小大於2KB的nand flash，被稱作big block，對應的發讀寫命令地址，一共5個週期(cycle)，而老的nand flash，頁大小是256B，512B，這類的nand flash被稱作small block，。地址週期只有4個。

而塊，也是Nand Flash的擦除操作的基本/最小單位。

3.每一個頁，對應還有一塊區域，叫做空閒區域（spare area）/冗餘區域（redundant area），而Linux系統中，一般叫做OOB（Out Of Band），這個區域，是最初基於Nand Flash的硬件特性：數據在讀寫時候相對容易錯誤，所以爲了保證數據的正確性，必須要有對應的檢測和糾錯機制，此機制被叫做EDC(Error Detection Code)/ECC（Error Code Correction, 或者 Error Checking and Correcting），所以設計了多餘的區域，用於放置數據的校驗值。

頁是Nand Flash的寫入操作的基本/最小的單位。

【Nand Flash數據存儲單元的整體架構】

簡單說就是，常見的nand flash，內部只有一個chip，每個chip只有一個plane。

而有些複雜的，容量更大的nand flash，內部有多個chip，每個chip有多個plane。這類的nand flash，往往也有更加高級的功能，比如下面要介紹的Multi Plane Program和Interleave Page Program等。

比如，型號爲K9K8G08U0A這個芯片（chip），內部有兩個K9F4G08U0A，每個K9F4G08U0A包含了2個Plane，每個Plane是1Gb，所以K9F4G08U0A的大小是1Gb×2＝2Gb＝256MB，因此，K9K8G08U0A內部有2個K9F4G08U0A，即4個Plane，總大小是4×256MB＝1GB。

而型號是K9WAG08U1A的nand flash，內部包含了2個K9K8G08U0A，所以，總容量是K9K8G08U0A的兩倍＝1GB×2＝2GB，類似地K9NBG08U5A，內部包含了4個K9K8G08U0A，總大小就是4×1GB＝4GB。

【Flash名稱的由來】

Flash的擦除操作是以block塊爲單位的，與此相對應的是其他很多存儲設備，是以bit位爲最小讀取/寫入的單位，Flash是一次性地擦除整個塊：在發送一個擦除命令後，一次性地將一個block，常見的塊的大小是128KB/256KB。。，全部擦除爲1，也就是裏面的內容全部都是0xFF了，由於是一下子就擦除了，相對來說，擦除用的時間很短，可以用一閃而過來形容，所以，叫做Flash Memory。中文有的翻譯爲（快速）閃存。

【Flash相對於普通設備的特殊性】

1.上面提到過的，Flash最小操作單位，有些特殊。

一般設備，比如硬盤/內存，讀取和寫入都是以bit位爲單位，讀取一個bit的值，將某個值寫入對應的地址的位，都是可以按位操作的。

但是Flash由於物理特性，使得內部存儲的數據，只能從1變成0，這點，可以從前面的內部實現機制瞭解到，只是方便統一充電，不方便單獨的存儲單元去放電，所以才說，只能從1變成0，也就是釋放電荷。

所以，總結一下Flash的特殊性如下：

	普通設備(硬盤/內存等)	Flash
讀取/寫入的叫法	讀取/寫入	讀取/編程(Program)①
讀取/寫入的最小單位	Bit/位	Page/頁
擦除(Erase)操作的最小單位	Bit/位	Block/塊 ②
擦除操作的含義	將數據刪除/全部寫入0	將整個塊都擦除成全是1，也就是裏面的數據都是0xFF ③
對於寫操作	直接寫即可	在寫數據之前，要先擦除，然後再寫

表2.Flash和普通設備相比所具有的特殊性

注：

① 之所以將寫操作叫做編程，是因爲，flash 和之前的EPROM，EEPROM繼承發展而來，而之前的EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)，往裏面寫入數據，就叫做編程Program，之所以這麼稱呼，是因爲其對數據的寫入，是需要用電去擦除/寫入的，就叫做編程。