Flash基礎知識

1、Flash發(fā)展歷程

存儲器通常分為兩類型，即隨機存取的RAM（內(nèi)存）與只讀的ROM（外存）。

RAM，也稱隨機存取存儲器，數(shù)據(jù)可以被讀取和修改。它主要用于存儲正在運行的程序和臨時數(shù)據(jù)，是計算機運行時的主要內(nèi)存。

ROM，即只讀存儲器，數(shù)據(jù)在生產(chǎn)過程中寫入，用戶無法修改。ROM主要用于存儲固定的系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)，如計算機啟動時的基本輸入輸出系統(tǒng)（BIOS）。

最初的ROM無法編程，出廠時的內(nèi)容是永久的，靈活性差。后來出現(xiàn)了PROM，可以自行寫入一次，但若寫錯，只能更換。隨著技術進步，EPROM誕生了，可以多次擦除和寫入，但每次擦除需要將芯片暴露在紫外線下，過程繁瑣且耗時。

歷史的進步帶來了EEPROM的出現(xiàn)，這種存儲器可以隨意修改內(nèi)容，大大方便了程序員。EEPROM的全稱是“電可擦除可編程只讀存儲器”（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory），與紫外擦除的EPROM相比更加便捷?，F(xiàn)如今，EEPROM已有多種變種，成為一種存儲器的統(tǒng)稱。

Flash存儲器廣義上屬于EEPROM的一種，因為它也可以通過電擦除。但為了區(qū)分于一般按字節(jié)擦寫的EEPROM，我們通常稱其為Flash。

狹義的EEPROM能夠隨機訪問和修改任意一個字節(jié)，可以寫入0或1。這種傳統(tǒng)的EEPROM在斷電后數(shù)據(jù)不會丟失，能保存100年，擦寫次數(shù)可達100萬次，具有高可靠性，但電路復雜且成本高。因此市場上的EEPROM容量通常在幾十千字節(jié)到幾百千字節(jié)之間，極少超過512K。

Flash的改進在于擦除時以塊為單位而非字節(jié)，簡化了電路設計，提高了數(shù)據(jù)密度，降低了成本。

2、Flash的工作原理

閃存體系結(jié)構(gòu)包括堆疊有大量閃存單元的存儲陣列。 基本的閃存單元由具有控制柵極和浮置柵極 (Floating Gate)的存儲晶體管組 成，該浮柵通過薄介電材料或氧化層與晶體管的其余部分絕緣。 浮柵存儲電荷并控制電流的流動。

電子被添加到浮柵或從浮柵處移除，以改變存儲晶體管的閾值電壓。 而改變電壓會影響將單元編譯為 0還是 1。

一種稱為Fowler-Nordheim隧穿的過程將電子從浮柵中去除。 Fowler-Nordheim隧穿和稱為溝道熱電子注入的現(xiàn)象都會將電子捕獲在浮柵中。

使用Fowler-Nordheim隧道技術，數(shù)據(jù)會通過控制門上的強負電荷擦除。這迫使電子進入存在強正電荷的通道。

在使用Fowler-Nordheim隧道將電子捕獲在浮柵中時，情況會相反。電子在高電場的情況下設法通過薄氧化層遷移到浮柵，在單元的源極和漏極上帶有強負電荷，而在控制柵極上帶有強正電荷。

溝道熱電子注入（也稱為熱載流子注入）使電子能夠突破柵氧化層并改變浮柵的閾值電壓。 當電子從溝道中的高 電流以及控制柵極上的吸引電荷中獲取足夠量的能量時， 就會發(fā)生這種現(xiàn)象。

不管包含閃存單元的器件是否由于氧化物層產(chǎn)生的電隔離而接收能量，電子都會被捕獲在浮柵中。該特性使閃存可以提供持久存儲。

3、NAND和NOR

閃存有兩種類型：NOR和 NAND。

NOR和 NAND閃存在架構(gòu)和設計特性上有所不同。 NOR閃存不使用共享組件，可以并行連接各個存儲單元，從而可以隨機訪問數(shù)據(jù)。 NAND 閃存單元更緊湊，位線更少，將浮柵晶體管串聯(lián)在一起以 提高存儲密度。

NOR FLASH數(shù)據(jù)線和地址線分開，可以實現(xiàn)RAM一樣的隨機尋址功能，可以讀取任何一個字節(jié)。但是擦除仍要按塊來擦。

NAND FLASH同樣是按塊擦除，但是數(shù)據(jù)線和地址線復用，不能利用地址線隨機尋址。讀取只能按頁/塊來讀?。ò磯K來擦除，NOR FLASH沒有頁）。由于NAND FLASH引腳上復用，因此讀取速度比NOR FLASH慢一點，但是擦除和寫入速度比NOR FLASH快很多。NAND FLASH內(nèi)部電路更簡單，因此數(shù)據(jù)密度大，體積小，成本也低。因此大容量的FLASH都是NAND型的。小容量的2~12M的FLASH多是NOR型的。

NOR FLASH可以進行字節(jié)尋址，所以程序可以在NOR FLASH中運行。嵌入式系統(tǒng)多用一個小容量的NOR FLASH存儲引導代碼，用一個大容量的NAND FLASH存放文件系統(tǒng)和內(nèi)核。

NOR閃存在數(shù)據(jù)讀取方面速度很快，但在擦除和寫入方面通常比NAND慢。 NOR閃存以字節(jié)為單位編程數(shù)據(jù)。NAND閃存以頁為單位編程數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)大于字節(jié)，但小于塊。 例如，一個頁面可能是4 KB，而一個塊的大小可能是128 KB至256 KB或兆字節(jié)。 對于寫密集型應用程序，NAND閃存比NOR閃存消耗更少的功率。

NOR閃存的生產(chǎn)成本比NAND閃存高，并且通常主要用于消費類和嵌入式設備中以用于引導目的，以及只讀應用程序中用于代碼存儲。 由于NAND閃存每位存儲數(shù)據(jù)的成本更低，密度更高，編程和擦除（P / E）速度更快，因此它更適用于消費類設備以及企業(yè)服務器和存儲系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲。

除使用其他存儲器外，諸如照相手機之類的設備可能同時使用NOR和NAND閃存，以促進代碼執(zhí)行和數(shù)據(jù)存儲。

NOR閃存類型：

NOR閃存的兩種類型主要是并行和串行，也稱為串行外圍設備接口。NOR閃存最初僅可用于并行接口。并行NOR提高性能，安全性和附加功能；它的主要用途包括工業(yè)、汽車、網(wǎng)絡和電信系統(tǒng)與設備。

NOR單元并行連接以進行隨機訪問。該配置適用于與微處理器指令相關的隨機讀取，以及執(zhí)行便攜式電子設備中使用的代碼，幾乎專門用于消費類電子設備。串行NOR閃存的引腳數(shù)更少，封裝更小，因此其成本低于并行NOR。

串行NOR的用例包括個人和超薄計算機，服務器，HDD，打印機，數(shù)碼相機，調(diào)制解調(diào)器和路由器。

NAND閃存類型：

NAND閃存半導體制造商已經(jīng)開發(fā)出適合各種數(shù)據(jù)存儲用例的不同類型的存儲器。常見主要有SLC、MLC、TLC、QLC。

4、Flash頁、扇區(qū)、塊的區(qū)別

扇區(qū)、塊這些專用名詞，其實是從早期的軟盤、硬盤等存儲器發(fā)展而來，目的是將一個存儲器劃分為多個（扇區(qū)、塊）區(qū)域，更方便的編程管理這些存儲單元。

以W25Q128存儲芯片為例。W25Q128存儲芯片是由256個塊（Block）組成，每個塊包含16個扇區(qū)（Sector），每個扇區(qū)包含16頁，每頁256個字節(jié)。

注：Page0X000000-0X0000FFh:0X是16進制標識符，數(shù)的后面h也代表這是一個十六進制數(shù)，0XFF等于十進制255，所以一頁中共256個字節(jié)。

Flash芯片就像一列火車，塊（Block）就像一節(jié)車廂，車廂里的每排座位就像一個扇區(qū)（Sector）。

注： 不同廠家的、不同類型存儲器的頁、扇區(qū)、塊大小不同，不同廠家的、不同類型存儲器的劃分方式也可能不同，有的以頁為最小單元，有的以扇區(qū)為最小單元，但大部分Flash都以扇區(qū)為最小單元。

此外，也可能會看到一些其他的名詞，比如：和扇區(qū)一個級別的SubSector，和塊一個級別的Bank、Bulk等。

FLASH使用注意事項：

1、由于FLASH的物理特性，決定了FLASH每一位的操作只能從1變?yōu)?（寫操作）。

2、大多數(shù)FLASH芯片或單片機內(nèi)未使用FLASH存儲空間每一位出廠默認都是1。

3、對FLASH寫操作之前必須將待操作FLASH空間數(shù)據(jù)都置為1。

如果內(nèi)存地址上的數(shù)據(jù)是0的話，不進行置1的擦除動作，當我們想內(nèi)存地址寫1時候是失敗的，因為內(nèi)存只能從1變?yōu)?，不能從0變?yōu)?。所以必須在寫操作之前將flash擦除。

4、對FLASH的擦除操作即是把待操作的空間的每一位都置為1。

5、所以FLASH寫操作前需有擦除操作。

W25Q128JV存儲芯片的擦除比較靈活，可以按扇區(qū)、塊甚至是整片擦除。（擦除是需要時間的，比如整片擦除約用時幾十秒）。

5、NAND閃存顆粒

閃存顆粒中根據(jù)存儲密度的差異可分為SLC、MLC、TLC和QLC四種

第一代SLC（Single-Level Cell）每單元可存儲1比特數(shù)據(jù)(1bit/cell)，性能好、壽命長，可經(jīng)受10萬次編程/擦寫循環(huán)，但容量低、成本高。

第二代MLC（Multi-Level Cell）每單元可存儲2比特數(shù)據(jù)(2bits/cell)，性能、壽命、容量、成各方面比較均衡，可經(jīng)受1萬次編程/擦寫循環(huán)，現(xiàn)在一般在少數(shù)高端SSD中可以見到；

第三代TLC（Trinary-Level Cell）每單元可存儲3比特數(shù)據(jù)(3bits/cell)，性能、壽命變差，只能經(jīng)受3千次編程/擦寫循環(huán)，但是容量可以做得更大，成本也可以更低，是當前最普及的；

第四代QLC（Quad-Level Cell）每單元可存儲4比特數(shù)據(jù)(4bits/cell)，性能、壽命進一步變差，只能經(jīng)受1000次編程/擦寫循環(huán)，但是容量更容易提升，成本也繼續(xù)降低。

對于SSD固態(tài)硬盤來講，SSD一直在追求更大的容量和更低的成本，而存儲單元是它的的核心元件，選擇SSD實際上就是在選擇存儲顆粒。

Flash閃存顆粒中每Cell單元存儲數(shù)據(jù)越多，單位面積容量就越高，但同時導致不同電壓狀態(tài)越多，越難控制，所以導致顆粒穩(wěn)定性變差，壽命變低，各有利弊。相對于SLC來說，MLC的容量大了100%，壽命縮短為SLC的1/10；相對于MLC來說，TLC的容量大了50%，壽命縮短為MLC的1/3；相對于TLC來說，QLC的容量大了33%，壽命縮短為TLC的1/3。

簡單來說，這四類閃存顆粒中，SLC的性能最優(yōu)，價格也是最高，一般用作對于可靠性、穩(wěn)定性和耐用性有極高要求的工業(yè)控制、通信設備等企業(yè)級客戶；MLC性能夠用，穩(wěn)定性比較好，價格適中，為工業(yè)級和車規(guī)級SSD應用主流；TLC是目前消費級SSD的主流，價格便宜，但可以通過高性能主控、主控算法來彌補、提高TLC閃存的性能；QLC是奔著更大容量和更低成本來的，相信QLC閃存顆粒會使得固態(tài)硬盤進入大容量廉價時代。

6、基于NAND Flash技術的產(chǎn)品

7.1常見產(chǎn)品類型

SD卡（Secure Digital卡）：SD卡是一種常見的可移動存儲介質(zhì)，廣泛用于數(shù)碼相機、手機、平板電腦等設備。SD卡采用了NAND Flash作為主要的存儲媒體，并具有較小的尺寸、高存儲容量和可插拔的特點。

USB閃存驅(qū)動器（USB Flash Drive）：USB閃存驅(qū)動器，也稱為U盤，是一種便攜式存儲設備，通常通過USB接口連接到計算機或其他設備。它們使用NAND Flash存儲數(shù)據(jù)，并具有易于攜帶、高速傳輸和可插拔的特點。

固態(tài)硬盤（Solid State Drive，SSD）：SSD是一種替代傳統(tǒng)機械硬盤的存儲設備。它采用NAND Flash芯片作為主要存儲介質(zhì)，具有快速的數(shù)據(jù)讀寫速度、低功耗、抗震抗摔、靜音無噪音等特點。SSD在計算機和數(shù)據(jù)中心等領域得到廣泛應用。

eMMC（嵌入式多媒體卡）是一種嵌入式存儲模塊。eMMC通常由NAND Flash存儲芯片、控制器和接口組成，提供了一種集成的存儲解決方案，用于嵌入式系統(tǒng)、智能手機、平板電腦、物聯(lián)網(wǎng)設備等領域。eMMC具有緊湊的尺寸、低功耗、高可靠性等特點，在嵌入式應用中得到廣泛應用。

UFS（Universal Flash Storage）：UFS是一種新一代的高速閃存存儲解決方案，旨在提供更高的性能和更低的延遲。相比于eMMC，UFS具有更高的讀寫速度、更快的數(shù)據(jù)傳輸速率和更低的功耗。這使得UFS在需要更高性能的應用場景下，如高端智能手機、平板電腦和其他移動設備中得到廣泛采用。

除了上述列舉的產(chǎn)品，還有其他基于NAND Flash的存儲產(chǎn)品，如CF卡（CompactFlash卡）、XQD卡、microSD卡等。每種產(chǎn)品都有其特定的設計和應用場景，具體選擇取決于實際需求和設備兼容性。

7.2差異分析

7.2.1存儲容量

SD卡：從幾GB到數(shù)TB不等，具有相對較大的存儲容量，適用于大量多媒體文件的存儲。

USB閃存：存儲容量也從幾GB到數(shù)百GB不等，適用于小型文件的存儲和傳輸。

固態(tài)硬盤：存儲容量一般從幾十GB到幾TB不等，適用于替代傳統(tǒng)機械硬盤，提升系統(tǒng)性能。

eMMC：存儲容量一般在幾十GB以下，適用于嵌入式設備和輕量級應用。

UFS：存儲容量從幾十GB到數(shù)TB不等，適用于高性能存儲需求的應用場景。

7.2.2讀寫速度

SD卡：一般速度較慢，適合存儲大容量數(shù)據(jù)，但不適合頻繁讀寫操作。

USB閃存：讀寫速度較快，適合頻繁的數(shù)據(jù)傳輸和備份操作。

固態(tài)硬盤：讀寫速度非?？?，適合要求高性能的計算機和服務器。

eMMC：速度介于SD卡和固態(tài)硬盤之間，適用于嵌入式設備和輕量級應用。

UFS：具有非常高的讀寫速度，適用于高端智能設備和需要高性能存儲的場景。

7.2.3接口類型

SD卡：SD卡通常采用SD接口或microSD接口，這兩種接口在尺寸上有所不同，但功能和性能類似。SD接口通常用于相機、攝像機等專業(yè)設備，而microSD接口則廣泛應用于智能手機、平板電腦等消費電子產(chǎn)品。

USB閃存：USB閃存通常采用USB接口，主要分為USB Type-A、USB Type-C等不同類型。USB Type-A接口是傳統(tǒng)的USB接口，廣泛用于計算機、電視等設備；而USB Type-C接口則是新一代的標準接口，具有可逆性和高速傳輸?shù)葍?yōu)點，逐漸在各類設備中普及。

固態(tài)硬盤：固態(tài)硬盤通常采用SATA接口或PCIe接口。SATA接口適用于傳統(tǒng)的2.5英寸或3.5英寸硬盤的形態(tài)，而PCIe接口則更適合于M.2或PCIe插槽形態(tài)的固態(tài)硬盤，具有更高的傳輸速度和更小的體積。

eMMC：eMMC通常采用BGA封裝形式，與主板焊接連接，其接口類型主要是MMC（MultiMediaCard）接口，用于連接主板和eMMC芯片。

UFS：UFS通常采用UFS接口，是一種專門設計用于高速閃存存儲器的接口標準，具有高速傳輸和低延遲等特點，適用于高性能存儲需求的設備。

這些接口類型的差異影響著存儲產(chǎn)品的連接方式、傳輸速度和適用范圍，用戶在選擇存儲產(chǎn)品時需要考慮設備的接口類型與存儲產(chǎn)品的接口是否匹配。

7.2.4應用場景

SD卡：主要用于相機、手機、平板電腦等設備的存儲擴展。

USB閃存：主要用于數(shù)據(jù)傳輸、文件備份、操作系統(tǒng)安裝等方面。

固態(tài)硬盤：主要用于替代傳統(tǒng)機械硬盤，提升系統(tǒng)性能和響應速度。

eMMC：主要用于嵌入式系統(tǒng)、智能手機、平板電腦等輕量級存儲需求。

UFS：主要用于高端智能設備、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)設備等高性能存儲需求的場景。