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NAND Flash 技术应用文档 NAND Flash 存储器使用 ELNEC 编程器烧录 NAND Flash 和技术应用文档 Summer 翻译整理深圳市浦洛电子科技有限公司 August 2006 http://www.prosystems.com.cn 1

NAND Flash 技术应用文档目录一．简介 ----------------------------------------------------------------------------------- 1 二． NAND Flash 与 NOR Flash 的区别 -------------------------------------------- 1 三． NAND Flash 存储器结构描叙 --------------------------------------------------- 4 四．备用单元结构描叙 ---------------------------------------------------------------- 6 五． Skip Block method（跳过坏块方式） ------------------------------------------ 8 六． Reserved Block Area method（保留块区域方式）----------------------------- 9 七． Error Checking and Correction（错误检测和纠正）-------------------------- 10 八．文件系统 ------------------------------------------------------------------------------10 九．使用 ELNEC 系列编程器烧录 NAND Flash -------------------------------- 10 十． Invalid Block Management drop-down menu -------------------------------- 12 十一． User Area Settings3 -------------------------------------------------------- 13 十二． Solid Area Settings --------------------------------------------------------- 15 十三． Quick Program Check-box ---------------------------------------------- 16 十四． Reserved Block Area Options --------------------------------------------17 十五． Spare Area Usage drop-down menu ------------------------------------18 http://www.prosystems.com.cn 2

NAND Flash 技术应用文档简介 NAND Flash 结构最早是在 1989 年由日本东芝公司引入。如今, NAND Flash 和 NOR Flash 已经占据了 Flash 市场的支配地位。 NAND Flash 是一种高密度, 低功耗, 低成本, 而且可升级的器件, 它是多媒体产品导入市场的理想选择。先进的在系统内设计也使得为降低成本, 在传统的设计应用上采用 NAND Flash 来替代 NOR Flash 成为可能。 NAND Flash 与 NOR Flash 的区别下表是 NAND 与 NOR 的主要对比表。它指出了为什么 NAND 存储器是高容量数据存储的完美解决方案, 尽管 NOR 存储器也可被用来做数据存储和执行。从物理结构上来说, 因为它不一定要下拉整个 bit-line, 所以 NAND Flash 结构可以使用更小的晶体管。一条 NAND bit line 就是一些连续的晶体管, 每一个晶体管只能流过少于总量的电流。下图介绍了 NAND 和 NOR 结构内晶体管是怎样被连接在一起的, 以及他们的单元大小有什么不同。得益于 NAND Flash 这种更有效率的结构, 使得它每一单元的大小几乎是 NOR 单元的一半。这也使得 NAND Flash 结构在给定的硬模内提供了更高的密度, 更高的容量, 同样也使得它的生产制程更为简单。高容量存储应用中, NAND 结构相对于 NOR 结构来说更为节省成本。正如上面说介绍的, NAND Flash 存储器是大容量数据存储的完美解决方案。(典型应用: MP3 播放器, 数码相机) http://www.prosystems.com.cn 3

NAND Flash 技术应用文档上面所描叙的工艺是众所周知的单极单元(SLC)工艺, 通过电压的 “H”或 “L”，一个存储器单元保存 1bit 的信息。有时候多极单元(SLC)工艺也会被用到。在这样的应用中, 每一个存储单元能保存 2bit 或更多 bit 的信息，通过存储更多位。相对于基于 SLC 结构的存储器， MLC 存储器传输的速度大大降低了，同时它也产生了更高的功耗。但是,其实这两种工艺都采用相同的 I/O 接口和指令。在 NOR Flash 中, 所有的存储区域都保证是完好的, 同时也拥有相同的耐久性。在硬模中专门制成了一个相当容量的扩展存储单元 — 他们被用来修补存储阵列中那些坏的部分，这也是为了保证生产出来的产品全部拥有完好的存储区域。为了增加产量和降低生产成本, NAND Flash 器件中存在一些随机 bad block 。为了防止数据存储到这些坏的单元中, bad block 在 IC 烧录前必须先识别。在一些出版物中, 有人称 bad block 为“bad block”, 也有人称 bad block 为“invalid block”。其实他们拥有相同的含义, 指相同的东西。从实际的应用上来说, NOR Flash 与 NAND Flash 主要的区别在于接口。 NOR Flash 拥有完整的存取-映射访问接口, 它拥有专门的地址线和数据线, 类似与 EPROM。然而在 NAND Flash 中没有专门的地址线。它发送指令,地址和数据都通过 8/16 位宽的总线(I/O 接口) 到内部的寄存器。 NAND Flash 存储器结构描叙 NAND Flash 存储器由block (块) 构成, block 的基本单元是page (页)。通常来说, 每一个 block 由 16, 32 或 64 个 page 组成。大多数的 NAND Flash 器件每一个 page (页)内包含 512 个字节(或称为 256 个字)的 Data area（数据存储区域）。每一个 page 内包含有一个扩展的 16 字节的 Spare area（备用区域）。所以每一个 page 的大小为 512+16=528 字节。我们称这样的 page 为 small page。那些大容量的(1Gbig 或更多)的 NAND Flash, 它每 page 的容量就更大, 每 page 内 Data http://www.prosystems.com.cn 4

NAND Flash 技术应用文档 area（数据存储区域）的大小为 2048 字节, Spare area（备用区域）大小为 64 字节。 NAND Flash 的读取和烧录以页为基础, 而 NOR 却是以字节或字为基础 — 数据 I/O 寄存器匹配页的大小。 NAND Flash 的擦除操作是基于 block (块)的。在 NAND Flash 上有三种基本的操作:读取一个页, 烧录一个页和擦除一个块。在一个页的读取操作中, 该页内 528 字节的数据首先被传输到数据寄存器中, 然后再输出。在一个页的烧录中, 该页内 528 字节的数据首先被写进数据寄存器, 然后再存储到存储阵列中。在一个块的擦除操作中, 一组连续的页在单独操作下被擦除。通常来说, 器件还提供有更多的扩张功能, 它们是: 厂商 ID 读取器件操作状态读取复位命令不考虑 CE 高速缓冲寄存器操作 OTP 区域自动读取第 0 页块加锁/解锁 http://www.prosystems.com.cn 5

NAND Flash 技术应用文档备用单元结构描叙 NAND Flash 厂商在生产制程中使用 Spare area（备用区域）来标识 bad block, 所以这些器件被运送到客户手中时已经被标识。从功能上来说, Spare area（备用区域）内所有的字节都可以像 Data area（数据存储区域）内的字节一样被用户用来存储数据。关于备用字节的使用, 我们推荐使用三星的标准。 http://www.prosystems.com.cn 6

NAND Flash 技术应用文档 Bad block (Invalid block)的管理自从 NAND 结构被设计用来作为低成本的多媒体存储器, 它的标准规范中是允许存在 bad block 的。只要 bad block 的容量小于总容量的 2% 那就是允许的。一个 block 中如果有坏的存储区域, 那它就会被标识成 bad block 。 bad block 列表可以存储在一个芯片中的一个好的 block 上, 也可以存储在同一系统的另外一颗芯片上。bad block 列表是被要求的, 这是由于 NAND Flash 只能执行有限的读和擦除次数。由于所有的 Flash 存储器最终都会被磨损而且不能再使用, 这个列表需要被用来跟踪记录那些在使用中发现的 bad block 。允许 bad block 的存在有利于提高芯片的产量，同时也降低了成本。因为每个 block 是独立的, 而且是被 bit lines 隔离的, 所以 bad block 的存在并不会影响那些其他 block 的正常工作。 Bad block 的一般分为两种: 生产过程中产生的; 使用过程中产生的。当 block 被发现是 bad block , 一般是在该块的前两个 page (页)的第 517 字节处用非 FF 来标识。一个通用的 bad block map building 算法流程如下所示: 使用过程中产生的 bad block 是没有被工厂标识的, 这些块是在客户处产生的。因为 NAND Flash 有一个使用寿命而且它最终会磨损。每一个块是独立的单元, 每一个块都能被擦除和烧录并且不受其它块寿命的影响。一个好的块一般能被烧录 100000 到 1000000 次。如果一个块在擦除一个块或烧录一个页时操作失败, 那么此块将被标识成 bad block 并且以后不再访问。如果你对 bad block 进行擦除, 那么非“FFh”字节也会被擦除。如果发生了这样的事情, 在没有对块进行测试的特定条件下, 对那些 bad block 进行重新标识是非常困难。所以如果存储 bad block 列表的 bad block table 丢失, 重新发现并标识那些 bad block 是相当困难的。因此, 在擦除 bad block 之前推荐先收集正确的 bad block 信息, 在器件擦除后, 那 http://www.prosystems.com.cn 7

NAND Flash 技术应用文档些信息又会被重新标识上去。在嵌入式系统中对 bad block 进行管理必须要求有特殊的软件层。因此对 NAND Flash 进行烧录, 必须采用正确的方式进行 bad block 的管理, 该方法取决于嵌入式系统中程序的管理方式。对 bad block 的管理有很多种方式, 没有那一种方式被定义成标准方式。例如: 一种通用的方式是跳过 bad block , 把数据写入那些已知的好块中 — 这种方法被称为“Skip Block”。另外一种通用的方式叫做“Reserved Block Area”, 这种方法用已知好的 block (块)来替代 bad block, 这些已知好的 block (块)是预先保留设置的。除此之外, 其他应用需求对每个页内的数据进行 ECC 计算。当 bad block 产生时, ECC 校验被用来侦测 bad block 的出现并且做数据的修补。ECC 数据也会被写入备用区域。这种目的的算法通常被称作 Error Correction/Error Detection(EC/ED) algorithms。 Skip Block method（跳过坏块方式）这种方法通俗易懂。这个算法开始之前先读取存储器内的所有备用区域。那些被标识成 bad block 的地址都被收集起来。接下来, 数据被连续的写入目标 FLASH 器件。当目标地址与先前收集的 bad block 地址一致时, 跳过坏块, 数据被写到下一个好的块中。然后继续保留 bad block 中备用区域的标识信息。所以在程序导入执行之前, 使用者的系统通过读取 Spare area（备用区域）的信息能建立一个 bad block 的地址列表。 http://www.prosystems.com.cn 8

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