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如硬盘，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的内部存储是金属-氧化层-半导体-场效晶体管(MOSFET)，里面有个悬浮门(Floating Gate)，是真正存储数据的单元。

 

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，取决于图中的控制门（Control 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。

1.对于NAND Flash的写入（编程)，就是控制Control Gate去充电（对Control Gate加压），使得悬浮门存储的电荷够多，超过阈值Vth，就表示0。

2.对于NAND Flash的擦除(Erase)，就是对悬浮门放电，低于阀值Vth，就表示1。

NAND Flash的架构:

 

如上图所示，这是一个8Gb 50nm的SLC颗粒内部架构。

每个page有33,792个单元，每个单元代表1bit(SLC)，所以每个page就是4096Byte + 128Byte（SA）。
每个Block有64个page组成，所以每个Block容量为262,114Byte + 8192Byte （SA）

page是NAND Flash上最小的读/写单位（一个page上的单元共享一根字符线Word line），块是最小的擦除单位（。不同厂牌不同型号颗粒有不同的page和block大小。

下图是个8Gb 50nm的SLC颗粒。

 

4KB的页尺寸，256KB的块尺寸。图中4096字节用于存储数据，另外128字节用来做管理和ECC用。

SLC 和 MLC 区别：

SLC主要针对军工，企业级应用，有着高速写入，低出错率，长耐久度特性。
MLC主要针对消费级应用，有着2倍容量于SLC，低成本，适合USB闪盘，手机，数码相机等储存卡。如今也被用于消费级固态硬盘上。

由上图可以看到，MLC和SLC虽然使用相同的电压值，但是电压之间的阀值被分成了4份，直接影响了性能和稳定性。主要有下面几点：

1.相邻的存储电荷的悬浮门间会互相干扰，造成悬浮门里的电荷不稳定出现bit错误，MLC由于阀值相比SLC更接近，造成出错几率更大。
2.MLC读写性能降低，写入更是降低50%以上，因为需要确认充入电荷的量，这需要更精确的处理。SLC只有0和1，也就是有和没有，而MLC会有00,01,10,11 4个状态，在充入电荷后还要去判断是哪个状态，自然就慢了。
3.因为上面说的，造成额外的读写压力，所以功耗明显增大。
4.因为额外的读写压力，造成闪存的写入耐久度和数据保存期受到影响。

eMLC和eSLC的耐久度提升是用牺牲了数据保存期和增加读写时间换来的。（也就是性能会更差点）

1、特性

 

相对于SPI FLASH（W25Q256）和SD卡等存储设备，NAND FLASH采用8位并口访问，具有访问速度快的优势

芯片操作是以块（block）为基本单位。每块又分成多个页（page），页大小一般是2048字节，读和写都是按照扇区进行的，最小擦除单位是 block

NAND FLASH的写操作具有只可以写0，不能写1的特性，所以，在写数据的时候，必须先擦除block（擦除后，block数据全部为1），才可以写入

NAND FLASH的page由2部分组成：数据存储区（data area）和备用区域（spare area），对MT29F4G08来说，数据存储区大小为2K字节，备用区域大小为64字节。我们存储的有效数据，一般都是存储在数据存储区。备用区域一般用来存放ECC（Error Checking and Correcting）校验值

2、存储单元结构

 

图为MT29F4G08的存储结构，由2个plane组成，每个plane有2048个block，每个block由64个page组成，每个page有2K+64字节（2112字节）的存储容量。所以，MT29F4G08的总容量为：2*2048*64*（2K+64）= 553648128字节（512MB）

 

3、NAND FLASH寻址

对NAND操作实际上就是对NAND的指定地址数据进行读写，NAND FLASH的地址分为三类：

 

块地址（Block Address）用于在一个Page内部字节寻址

 

页地址（Page Address）用于在一个Block内部页寻址

 

列地址（Column Address）用于在NAND内部块寻址

 

以MT29F4G08为例，这三个地址，通过5个周期发送，首先发送列地址，在发送页地址和块地址。如表所示：

 

 

CA0~CA11为列地址，MT29F4G08的一个Page为2112字节，需要12个地址线寻址；

 

PA0~PA5为页地址，MT29F4G08一个Block为64个Page，需要6个地址线寻址；

 

BA6~BA17为块地址，MT29F4G08总共有4096个Block，需要12根地址线寻址。

 

4、坏块管理与磨损均衡

因为NAND FLASH在出厂和使用过程中都可能会产生坏块，且每个BLOCK的擦除次数是有限制的，超过规定次数后，BLOCK将无法再擦除（即产生坏块），因此，我们首先需要能对这些坏块进行识别跟标记，然后合理的分配和使用好的块，以最大限度的延长NAND FLASH的寿命。NAND FLASH的坏块识别有几种方式：1，NAND厂家出厂的时候，会在每个Block的第一个page和第二个page的spare区的第一个字节写入非0XFF的值来表示，我们可以通过这个判断该块是否为坏块；2，通过给每个Block写入数值（0XFF/0X00），然后读取出来，判断写入的数据和读取的数据是否完全一样，来识别坏块；3，通过读取数据时，校验ECC错误，来识别坏块。

 

5、ECC校验

ECC，英文全称为：Error checking and Correction，是一种对传输数据的错误检测和修正的算法。NAND FLASH存储单元是串行组织的，当读取一个单元的时候，读出放大器所检测到信号强度会被这种串行存储结构削弱，这就降低了所读信号的准确性，导致读数出错（一般只有1个bit出错）。ECC就可以检测这种错误，并修正错误的数据位。

 

STM32的FMC模块就支持硬件ECC计算，使用的是汉明码，可以实现1bit错误的修正和2bit以上错误的检测，支持页大小按256、512、1024、2048、4096和8192字节为单位进行ECC计算。汉明码算法需要2n bit的ECC校验数据来处理2^n bit的数据包。比如，我们一般以512字节为单位来计算ECC值，只需要24bit的ECC码即可表示 2^12=4096bit=512字节，12*2=24bit

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