NAND FLAASH基础_nand flash擦除最小单位

NAND FLASH 基础

• https://baike.baidu.com/item/Nand%20flash/4883033?fr=aladdin

  • 物理构成

    NAND Flash 的数据是以bit的方式保存在memory cell，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(32528B)。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。

    NAND型闪存以块为单位进行擦除操作。闪存的写入操作必须在空白区域进行，如果目标区域已经有数据，必须先擦除后写入，因此擦除操作是闪存的基本操作。

• https://blog.csdn.net/qq_40155300/article/details/109385812

  NAND Flash是一种非易失性随机访问存储介质

  • nand flash 结构

    NAND Flash的容量结构从大到小可以分为Device、Target、LUN、Plane、Block、Page、Cell。

    一个Device有若干个Die(或者叫LUN)，每个Die有若干个Plane，每个Plane有若干个Block，每个Block有若干个Page，每个Page对应着一个Wordline。

• https://blog.csdn.net/wlwl0071986/article/details/40051755?spm=1001.2101.3001.6650.1&utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-2%7Edefault%7ECTRLIST%7ERate-1.pc_relevant_paycolumn_v3&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-2%7Edefault%7ECTRLIST%7ERate-1.pc_relevant_paycolumn_v3&utm_relevant_index=2

  • 引脚介绍

    引脚名称	引脚功能
    CLE	命令锁存功能
    ALE	地址锁存功能
    /CE	芯片使能
    /RE	读使能
    /WE	写使能
    /WP	写保护
    R/B	就绪/忙输出信号
    Vcc	电源
    Vss	地
    N.C	不接
    IO0~IO7	传输数据、命令、地址

    1. 命令、地址、数据都通过8个I/O口传输
    2. 写命令、地址、数据时，都需要将WE、CE信号同时拉低
    3. 数据在WE信号的上升沿被NAND Flash锁存
    4. 命令锁存信号CLE和地址锁存信号ALE用来分辨、锁存命令或地址
    5. CLE为高电平时有效，在WE信号的上升沿命令被锁存
    6. ALE为高电平时有效，在WE信号的上升沿地址被锁存
    1
    2
    3
    4
    5
    6

  • 存储组织形式

    

    plane是NAND能够根据读、写、擦除等命令进行操作的最小单位
    一个plane就是一个存储矩阵，包含若干个Block

    Block是NANDFlash的最小擦除单位，一个Block包含了若干个Page
    Page是NANDFlash的最小读写单位，一个Page包含若干个Byte

    • OOB/Spare Area
      每一个页，对应还有一块区域，叫做空闲区域（SpareArea）。在Linux系统中，一般叫做OOB（Out of Band）。
      数据在读写的时候相对容易错误，所以为了保证数据的正确性，必须要有对应的检测和纠正机制，此机制叫做ECC/EDC，所以设计了多余的区域，用于存放数据的校验值。
      OOB的读写是随着随着页的操作一起完成的。
      OOB的具体用途包括以下几个方面：
      ► 标记所处的block是否为坏块
      ► 存储ECC数据
      ► 存储一些和文件系统相关的数据。如jaffs2就会用到这些空间存储一些特定信息，而yaffs2文件系统，会在oob中存放很多和自己文件系统相关的信息

    坏块

    Nand Flash 中，一个块中含有1 个或多个位是坏的，就称为其为坏块Bad Block。坏块的稳定性是无法保证 的，也就是说，不能保证你写入的数据是对的，或者写入对了，读出来也不一定对的。与此对应的正常的块，肯定是写入读出都是正常的。

• http://www.longsto.com/news/27.html?bd_vid=11446947306832031779

  

  • 使用特点和管理机制

  NAND Flash产品本身存在一定的特性，要正常使用，必须配备对应的管理机制。主要有：

  1，NAND Flash存在位翻转和位偏移。本来存储的是0101的数据，有一定概率会变成1010。这个时候就需要配备EDC/ECC机制；

  2，NAND Flash出厂时会有坏块（不用惊讶，原厂出厂的时候都会标识出来，而且比例是很低），在使用当中也可能产生坏块。因此需要配备 动态和静态坏块管理机制；

  3，NAND Flash有写入寿命的限制。每个块都有擦写寿命。因此需要配备 平均读写机制。让整体的块能够均衡的被使用到；

  4，NAND Flash是先擦后写，集中擦写的强电流会对周边块有影响等。需要配备 垃圾回收，均衡电荷散射机制等。

• http://blog.coderhuo.tech/2020/07/18/flash_basics/

  • 主要介绍 flash 的结构和 组成

    • 读写的操作对象是page，通常是512字节或者2KB
    • 擦除的对象是block，通常包含32或64个page（16KB或64KB）
    • 每个block在写入前需要先擦除
    • block擦除前，需要保证本block上所有page中都不包含有效数据（如果有些page包含有效数据，需要先搬移到其他地方）

• https://blog.51cto.com/u_11934066/2795272

  • 根据NAND FLASH的芯片手册，一般的过程是：
    发出命令
    发出地址
    发出数据/读数据

    NAND FLASH              S3C2440
    发命令    选中芯片
          CLE设为高电平            NFCMMD=命令值
          在DATA0~DATA7上输出命令值
          发出一个写脉冲

    发地址   选中芯片                NFADDR=地址值
          ALE设为高电平
          在DATA0~DATA7上输出地址值
          发出一个写脉冲

    发数据    选中芯片                NFDATA=数据值
          ALE,CLE设为低电平
          在DATA0~DATA7上输出数据值
          发出一个写脉冲

    读数据    选中芯片                val=NFDATA
          发出读脉冲
          读DATA0~DATA7的数据

• https://blog.51cto.com/u_15127582/4735925?b=totalstatistic

  • nand flash 的驱动参考

• https://blog.csdn.net/qq543716996/article/details/107980379?spm=1001.2101.3001.6650.1&utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-2%7Edefault%7ECTRLIST%7Edefault-1.pc_relevant_default&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-2%7Edefault%7ECTRLIST%7Edefault-1.pc_relevant_default&utm_relevant_index=2

  • 行地址与页地址相关介绍

    以K9K8G08U0A为例，此Nand Flash，一共有8192个块，每个块内有64页，每个页是2K+64 Bytes。

    假设，我们要访问其中的第7000个块中的第64页中的1208字节处的地址，此时，我们就要先把具体的地址算出来：

    物理地址

    =块大小×块号 ＋ 页大小×页号 ＋ 页内地址

    =128K×7000 ＋ 2K×64 ＋ 1208

    =0x36B204B8

    nand flash 的地址周期组成 – 从对应的datasheet中获取，不同的芯片地址周期组成不同

    

    Nand Flash地址周期共有5个，2个列(Column)周期，3个行（Row）周期。

    1. 对应地，列地址A0~A10，就是页内地址，地址范围是从0到2047。

       细心的读者可能注意到了，为何此处多出来个A11呢？

       这样从A0到A11，一共就是12位，可以表示的范围就是0_212，即04096了。

       实际上，由于我们访问页内地址，可能会访问到oob的位置，即2048-2111这64个字节的范围内，所以，此处实际上只用到了2048～2111，用于表示页内的oob区域，其大小是64字节。

    2. 对应地，A12～A30，称作页号，页的号码，可以定位到具体是哪一个页。

       A18～A30，表示对应的块号，即属于哪个块。

       我们就是要访问第7000个块中的第64页中的1208字节处，对应着

       页内地址

       =1208

       =0x4B8

       页号

       =块数×页数/块 + 块内的页号

       = 7000×（128K/2K） + 64

       = 7000×64 + 64

       = 448064

       =0x6D640

       也就是，我们要访问0x6D640页内的0x4B8地址，这样很好理解吧,^_。

       然后对应的：

       页内地址=0x4B8

       分成两个对应的列地址，就变成

       0x4B8 ：列地址1=0xB8，列地址2=0x04

       页号=0x6D640，分成三个行号就是：

       0x6D640：行号1=0x40，行号2=0xD6，行号3=0x06

       再回头看看上面的计算方法，

       最开始计算出来的：

       列地址1=0xB8

       列地址2=0x04

       行号1=0x20

       行号2=0x6B

       行号3=0x03

    Nand Flash 数据读取操作时序图

    

    在图中的特意标注的①边上的黄色竖线。黄色竖线所处的时刻，是在发送读操作的第一个周期的命令0x00之前的那一刻。

    1. 黄色竖线穿过的第一行，是CLE。还记得前面介绍命令锁存使能（CLE）那个引脚吧？CLE，将CLE置1，就说明你将要通过I/O复用端口发送进入Nand Flash的，是命令，而不是地址或者其他类型的数据。只有这样将CLE置1，使其有效，才能去通知了内部硬件逻辑，你接下来将收到的是命令，内部硬件逻辑，才会将受到的命令，放到命令寄存器中，才能实现后面正确的操作，否则，不去将CLE置1使其有效，硬件会无所适从，不知道你传入的到底是数据还是命令了。
    2. 而第二行，是CE#，那一刻的值是0。这个道理很简单，你既然要向Nand Flash发命令，那么先要选中它，所以，要保证CE#为低电平，使其有效，也就是片选有效。
    3. 第三行是WE#，意思是写使能。因为接下来是往Nand Flash里面写命令，所以，要使得WE#有效，所以设为低电平。
    4. 第四行，是ALE是低电平，而ALE是高电平有效，此时意思就是使其无效。而对应地，前面介绍的，使CLE有效，因为将要数据的是命令（此时是发送图示所示的读命令第二周期的0x30），而不是地址。如果在其他某些场合，比如接下来的要输入地址的时候，就要使其有效，而使CLE无效了。
    5. 第五行，RE#，此时是高电平，无效。可以看到，知道后面低6阶段，才变成低电平，才有效，因为那时候，要发生读取命令，去读取数据。
    6. 第六行，就是我们重点要介绍的，复用的输入输出I/O端口了，此刻，还没有输入数据，接下来，在不同的阶段，会输入或输出不同的数据/地址。
    7. 第七行，R/B#,高电平，表示R（Ready）/就绪，因为到了后面的第5阶段，硬件内部，在第四阶段，接受了外界的读取命令后，把该页的数据一点点送到页寄存器中，这段时间，属于系统在忙着干活，属于忙的阶段，所以，R/B#才变成低，表示Busy忙的状态的。