Nand flash 和 NOR flash

简介

　　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“NAND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。

nor与NAND的区别

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1。　　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NAND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的擦除速度远比nor快。　　● NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更加简单。　　● NAND的实际应用方式要比nor复杂的多。　　● nor可以直接使用，并在上面直接运行代码，而NAND需要I/O接口，因此使用时需要驱动。

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。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的管理需要特殊的系统接口。

NAND特点

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8～128M B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M MC存储卡市场上所占份额最大。

物理构成

　　NAND Flash 的数据是以bit的方式保存在memory cell，一般来说，一个cell 中只能存储一个bit。这些cell 以8个或者16个为单位，连成bit line，形成所谓的byte(x8)/word(x16)，这就是NAND Device的位宽。这些Line会再组成Page，(NAND Flash 有多种结构，我使用的NAND Flash 是K9F1208,下面内容针对三星的K9F1208U0M)，每页528Bytes(512byte(Main Area)+16byte(Spare Area))，每32个page形成一个Block(32*528B)。具体一片flash上有多少个Block视需要所定。我所使用的三星k9f1208U0M具有4096个block，故总容量为4096*（32*528B）=66MB，但是其中的2MB是用来保存ECC校验码等额外数据的，故实际中可使用的为64MB。　　NAND flash以页为单位读写数据，而以块为单位擦除数据。按照这样的组织方式可以形成所谓的三类地址：　　Column Address：Starting Address of the Register. 翻成中文为列地址，地址的低8位　　Page Address ：页地址　　Block Address ：块地址　　对于NAND Flash来讲，地址和命令只能在I/O[7:0]上传递，数据宽度是8位。

可靠耐用性

　　采用flash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。　　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。　　位交换　　所有flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下（很少见，NAND发生的次数要比nor多），一个比特位会发生反转或被报告反转了。　　一位的变化可能不很明显，但是如果发生在一个关键文件上，这个小小的故障可能导致系统停机。如果只是报告有问题，多读几次就可能解决了。　　当然，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。位反转的问题更多见于NAND闪存，NAND的供应商建议使用NAND闪存的时候，同时使用EDC/ECC算法。　　这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。当然，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时，必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。　　坏块处理　　NAND器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力，但发现成品率太低，代价太高，根本不划算。　　NAND器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。在已制成的器件中，如果通过可靠的方法不能进行这项处理，将导致高故障率。

易于使用

　　可以非常直接地使用基于nor的闪存，可以像其他存储器那样连接，并可以在上面直接运行代码。　　由于需要I/O接口，NAND要复杂得多。各种NAND器件的存取方法因厂家而异。　　在使用NAND器件时，必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操作。向NAND器件写入信息需要相当的技巧，因为设计师绝不能向坏块写入，这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。

软件支持

　　当讨论软件支持的时候，应该区别基本的读/写/擦操作和高一级的用于磁盘仿真和闪存管理算法的软件，包括性能优化。　　在nor器件上运行代码不需要任何的软件支持，在NAND器件上进行同样操作时，通常需要驱动程序，也就是内存技术驱动程序(MTD )，NAND和nor器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。　　使用nor器件时所需要的MTD要相对少一些，许多厂商都提供用于nor器件的更高级软件，这其中包括M-System的TrueFFS驱动，该驱动被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等厂商所采用。　　驱动还用于对diskOnChip产品进行仿真和NAND闪存的管理，包括纠错、坏块处理和损耗平衡。（纠正一点：nor擦除时，是全部写1，不是写0，而且，nor FLASH SECTOR擦除时间视品牌、大小不同而不同，比如，4M FLASH，有的SECTOR擦除时间为60ms，而有的需要最大6S。）nor FLASH的主要供应商是INTEL,MICRO等厂商，曾经是FLASH的主流产品，但现在被 NAND FLASH挤的比较难受。它的优点是可以直接从FLASH中运行程序，但是工艺复杂，价格比较贵。　　NAND FLASH的主要供应商是SAMSUNG和东芝，在U盘、各种存储卡、 MP3播放器里面的都是这种 FLASH，由于工艺上的不同，它比nor FLASH拥有更大存储容量，而且便宜。但也有缺点，就是　　无法寻址直接运行程序，只能存储数据。另外NAND FLASH 非常容易出现坏区，所以需要有校验　　的算法。　　在掌上电脑里要使用NAND FLASH 存储数据和程序，但是必须有nor FLASH来启动。除了　　SAMSUNG处理器，其他用在掌上电脑的主流处理器还不支持直接由NAND FLASH 启动程序。因此，　　必须先用一片小的nor FLASH 启动机器，在把OS等软件从NAND FLASH 载入SDRAM中运行才行，　　挺麻烦的。