flash详解

flash详解

什么是Flash

Flash全名叫做Flash Memory，从名字就能看出，是种数据存储设备，存储设备有很多类，Flash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的硬件实现机制

Flash的内部存储是MOSFET，里面有个悬浮门(Floating Gate)，是真正存储数据的单元。

在Flash之前，紫外线可擦除(uv-erasable)的EPROM，就已经采用了Floating Gate存储数据这一技术了。

典型的Flash内存单元的物理结构

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，取决于图中的外部门（external 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，因此，Flash的存储单元的默认值，不是0（其他常见的存储设备，比如硬盘灯，默认值为0），而是1，而如果将电荷释放掉，电压降低到一定程度，表示数字0。

什么是Nand Flash

Flash主要分两种，Nand Flash和nor flash。

关于Nand Flash和Nor Flash的区别：

1. Nor的成本相对高，容量相对小，比如常见的只有128KB，256KB，1MB，2MB等等，优点是读写数据时候，不容易出错。所以在应用领域方面，Nor Flash比较适合应用于存储少量的代码。

2. Nand flash成本相对低，说白了就是便宜，缺点是使用中数据读写容易出错，所以一般都需要有对应的软件或者硬件的数据校验算法，统称为ECC。但优点是，相对来说容量比较大，现在常见的Nand Flash都是1GB，2GB，更大的8GB的都有了，相对来说，价格便宜，因此适合用来存储大量的数据。其在嵌入式系统中的作用，相当于PC上的硬盘，用于存储大量数据。

所以，一个常见的应用组合就是，用小容量的Nor Flash存储启动代码，比如uboot，用大容量的Nand Flash做整个系统和用户数据的存储。

而一般的嵌入式平台的启动流程也就是，系统从装有启动代码的Nor Flash启动后，初始化对应的硬件，包括SDRAM等，然后将Nand Flash上的Linux 内核读取到内存中，做好该做的事情后，就跳转到SDRAM中去执行内核了，然后内核解压（如果是压缩内核的话，否则就直接运行了）后，开始运行，在Linux内核启动最后，去Nand Flash上，挂载根文件，比如jffs2，yaffs2等，挂载完成，运行初始化脚本，启动consle交互，才允许你通过console和内核交互。至此完成整个系统启动过程。

而Nor Flash就分别存放的是Uboot，Nand Flash存放的是Linux的内核镜像和根文件系统，以及余下的空间分成一个数据区。

Nand Flash的详细分类

Nand Flash，按照硬件类型，可以分为

1. Bare NAND chips：
   裸片。单独的Nand Flash芯片。

2. SmartMediaCards：
   裸片+一层薄塑料。常用于数码相机和MP3播放器中。之所以称smart，是由于其软件smart，而不是硬件本身有啥smart之处。

3. DiskOnChip：
   裸片+glue logic。glue logic=硬件ECC产生器+用于静态的nand 芯片控制的寄存器+直接访问一小片地址窗口，那块地址中包含了引导代码的stub桩，其可以从Nand Flash中拷贝真正的引导代码。

SLC和MLC的实现机制

Nand Flash按照内部存储数据单元的电压的不同层次，也就是单个内存单元中，是存储1位数据，还是多位数据，可以分为SLC和MLC。

SLC（Single Level Cell）

单个存储单元，只存储一位数据，表示1或0。

就是上面介绍的，对于数据的表示，单个存储单元中内部所存储电荷的电压，和某个特定的阈值电压Vth，相比，如果大于此Vth值，就是表示1，反之，小于Vth，就表示0。

对于Nand Flash的数据的写入1，就是控制External Gate去充电，使得存储的电荷够多，超过阈值Vth，就表示1了。而对于写入0，就是将其放电，电荷减少到小于Vth，就表示0了。

关于为何Nand Flash不能从0变成1，我的理解是，物理上来说，是可以实现每一位的，从0变成1的，但是实际上，对于实际的物理实现，出于效率的考虑，如果对于，每一个存储单元都能单独控制，即，0变成1就是，对每一个存储单元单独去充电，所需要的硬件实现就很复杂和昂贵，同时，所进行对块擦除的操作，也就无法实现之前所说的，Flash的速度，即一闪而过的速度了，也就失去了Flash的众多特性了。

MLC（Multi Level Cell）

与SLC相对应的，就是单个存储单元，可以存储多个位，比如2位，4位等。其实现机制，说起来比较简单，就是通过控制内部电荷的多少，分成多个阈值，通过控制里面的电荷多少，而达到我们所需要的存储成不同的数据。比如，假设输入电压是Vin＝4V（实际没有这样的电压，此处只是为了举例方便），那么，可以设计出2的2次方＝4个阈值， 1/4 的Vin＝1V，2/4的Vin＝2V，3/4的Vin＝3V，Vin＝4V，分别表示2位数据00，01，10，11，对于写入数据，就是充电，通过控制内部的电荷的多少，对应表示不同的数据。

对于读取，则是通过对应的内部的电流（与Vth成反比），然后通过一系列解码电路完成读取，解析出所存储的数据。这些具体的物理实现，都是有足够精确的设备和技术，才能实现精确的数据写入和读出的。

单个存储单元可以存储2位数据的，称作2的2次方＝4 Level Cell，而不是2 Level Cell。

同理，对于新出的单个存储单元可以存储4位数据的，称作 2的4次方＝16 Level Cell。

关于如何识别SLC还是MLC

Nand Flash设计中，有个命令叫做Read ID，读取ID，意思是读取芯片的ID，就像大家的身份证一样，这里读取的ID中，是读取好几个字节，一般最少是4个，新的芯片，支持5个甚至更多，从这些字节中，可以解析出很多相关的信息，比如此Nand Flash内部是几个芯片（chip）所组成的，每个chip包含了几片（Plane），每一片中的页大小，块大小，等等。在这些信息中，其中有一个，就是识别此flash是SLC还是MLC。下面这个就是最常见的Nand Flash的datasheet中所规定的，第3个字节，3rd byte，所表示的信息，其中就有SLC/MLC的识别信息：

Nand Flash第3个ID的含义