MEMORY系列之“NANDFlash”

本文主要介绍NANFlash的结构、引脚及操作状态。

NAND Flash中的N是NOT，含义是Floating Gate中有电荷时，读出‘0’，无电荷时读出‘1’，是一种‘非’的逻辑；AND的含义是同一个Bit Line下的各个基本存储单元是串联的，是一种‘与’的逻辑，这就是NAND的由来。

1、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，也就是单个存储单元中，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，表示成1或0。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。

MLC，Multi Level Cell。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。

NAND结构消除了传统EEPROM中的选择管，并通过多位的直接串联，将每个单元的接触孔减小到1/2 n(n为每个模块中的位数，一般为8位或16位)，因此，大大缩小了单元尺寸。NAND采用F-N写入和擦除，其最大缺点是多管串联，读取速率较其他阵列结构慢。另外，由于采用F-N模式写入，编程时需加20V左右的高电压，对可靠性不利。NANDFlash具有以下特点：

以页为单位进行读和编程操作，1页为256或512B(字节)；以块为单位进行擦除操作。1块为4K、8K或16KB。具有快编程和快擦除的功能，其块擦除时间是2ms；而NOR技术的块擦除时间达到几百ms。
数据、地址采用同一总线，实现串行读取。随机读取速度慢且不能按字节随机编程。
芯片尺寸小，引脚少，是位成本(bit COST)最低的固态存储。不支持代码本地运行，运行前需要拷贝到RAM。适合数据、文件类型存储。

在NANDFlash中，存取资料的最小单位是Page。在SLCFlash中，若想修改Page中的Data可以更改部分的Bit而不需要将整个Page抹除后才更改。例如Page中的Data为1001011101，若想将Data改成1001010001，只需将其中的2个Bit更改为0即可，不用抹除后写入。但后来的MLCFlash，已经不允许此功能了（擦除即写‘1’，是释放电荷，只方便统一放电，不方便对单独的存储单元去放电）。

NANDFlash的数据是以bit的方式保存在memorycell，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bitline，形成所谓的byte(x8)/word(x16)，这就是NANDDevice的位宽。这些Line会再组成Page，通常是528byte/page或者264Word/page。然后，每32个page形成一个Block，Sizeof(block)=16kByte。因地址包括三类地址：Block Address，Page Address，Column Address。

Block是NANDFlash中最大的操作单元，擦除就是按照block为单位完成的，而编程/读取是按照page为单位完成的。

2、NANDFlash引脚

引脚	定义
VDD	工作电压
VSS	地
I/On	数据/地址线（地址只在低八位传递）
CLE	命令
ALE	地址
CE#	片选
WE#	写使能
RE#	读使能
WP#	Write/Protect
RY/BY#	Ready/Busy
RESET#	复位信号

3、NANDFlash操作状态

对于NANDFlash，地址和命令只能在I/O[7:0]上传递，数据宽度可以是8位或者16位，但是，对于16位的NAND Device，I/O[15:8]只用于传递数据。、

ANDFlash没有区分地址总线和数据总线。只有一个8bit（或者16bit）的I/O总线、6种控制线(WE#、WP#、ALE、CLE、CE#、RE#)和R/B#。NANDFlash的数据和地址均通过8bit I/O总线串行传输的。

NANDFlash是通过ALE/CLE(高电平有效)来区分数据线上的数据是命令（CLE有效），地址（ALE有效）还是数据（CLE/ALE都无效）。

	CLE	ALE	CE#	WE#	RE#	WP#
Commamd Input	H	L	L	↑	H	x
Data Write	L	L	L	↑	H	H
Address Input	L	H	L	↑	H	x
Data Read	L	L	L	H	↓	x
During Program	x	x	x	x	x	H
During Erasing	x	x	x	x	x	H
During Reading	x	x	x	x	H	x
Program/Erase Inhibit	x	x	x	x	x	L
Standby	x	x	H	x	x	x
↑表示上升沿，↓表示下降沿，x为don’t care

NAND的基本操作包括：复位(Reset)操作、读ID(ReadID)操作、读状态(Read Status)操作、编程(Program)操作、随机数据输入(Random data input)操作和读(Read)操作等。

3.1、命令锁存

写命令时一定是CLE有效（高电平）ALE无效（低电平），表示现在的数据其实是命令，肯定有一个写周期。
写入的命令数据是在WE#的上升沿有效。也就是说，虽然WE#是在低电平有效，但并不是说WE#一变成低电平，命令就被锁存了（即真正获得命令）而是在WE#的上升沿，命令才真正被锁存。

3.2、地址锁存

写地址时一定是ALE有效（高电平）CLE无效（低电平），表示现在的数据其实是地址。
写入的地址数据是在WE#的上升沿有效。也就是说，虽然WE#是在低电平有效，但并不是说WE#一变成低电平，地址数据就被锁存了（即真正获得地址数据）而是在WE#的上升沿，地址数据才真正被锁存。
由于地址数据较多，所以需要分几次依次发送，地址传送顺序为Column Address、Page Address、Block Address。由于地址只能在I/O[7:0]上传递，因此必须采用移位的方式进行。每次发送都需要产生WE信号以将其写入NANDFlash芯片。

3.3、数据锁存（写操作）

3.4、读操作

读操作过程主要分为以下几个步骤：

发送读操作命令CE有效。CLE有效，WE有效，I/O0～I/O8上面数据为读操作命令数据。
发送地址数据(需要读取的Flash地址)。CE有效，ALE有效，WE有效，I/O0～I/O8上为所需地址数据。由于地址数据较多，所以需要分几次依次发送，地址传送顺序为Column Address、Page Address、Block Address。由于地址只能在I/O[7:0]上传递，因此必须采用移位的方式进行。每次发送都需要产生WE信号以将其写入NANDFlash芯片。
等待R/B信号，最后读出数据。在最后一个地址数据写入Flash之后，R/B信号即变低。等待芯片完成整个page数据读取之后，R/B信号变高。此时，CE有效，ALE，CLE均拉低，依次产生RE信号，从I/O0～I/O8读取出所需数据。

3.4.1、Page Read

先输入读命令(0x00)，然后输入5个地址，分为2个列地址（页内地址）和3个行地址（页和block地址），再输入读确认地址(0x30)，NANDFlash硬件会自动从指定的页的主存储区读数据到页缓存（页寄存器），此时R/B#为低电平，当内部读完成后，R/B#恢复为高电平，此时便可以通过NANDFlash的数据寄存器读取想要的数据。

3.4.2、Random data output