必須要了解的知識ROM、FLASH、硬盤技術(shù)知識

在嵌入式開發(fā)中，如果芯片內(nèi)部有Flash，應(yīng)用程序通常保存在芯片內(nèi)部FLASH中，比如Cortex-M系列的單片機；如果芯片內(nèi)部沒有Flash，則應(yīng)用程序通常保存于外部的NAND FLASH中，比如Cortex-A系列的芯片。這些Flash都是可以通過軟件編碼進行重新編程。

在計算機發(fā)展早期，數(shù)據(jù)是存儲在ROM中，ROM中的數(shù)據(jù)只讀不可寫，應(yīng)用有限，直到后面出現(xiàn)的EEPROM、NAND存儲器，使得計算機存儲技術(shù)的應(yīng)用得到快速發(fā)展，特別是近十年廣泛應(yīng)用的高速存儲技術(shù)eMMC與UFS，推動消費電子領(lǐng)域的快速發(fā)展，比如手機存儲技術(shù)，小米11，使用了UFS3.1技術(shù)。

存儲器的發(fā)展

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存儲器的快速發(fā)展得益于半導體技術(shù)的發(fā)明與發(fā)展，特別是晶體管與CMOS管的發(fā)明，通過電信號來控制自身開合，以開關(guān)的斷開和閉合來代表0和1，這些就是存儲電路的基本邏輯構(gòu)成，隨著集成電路的出現(xiàn)，ROM存儲技術(shù)也隨之產(chǎn)生。如下簡要了解存儲技術(shù)的發(fā)展史：

ROM

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ROM是Read Only Memory的簡稱，即為只讀存儲器。ROM內(nèi)部的程序是在ROM的制造時被燒錄進去的，其中的內(nèi)容只能讀不能改，一旦燒錄進去，用戶只能讀取內(nèi)部的數(shù)據(jù)，不能再作任何修改。如果發(fā)現(xiàn)ROM的內(nèi)容寫錯，則該ROM芯片只能報廢。由于ROM是在生產(chǎn)線上生產(chǎn)的，由于成本高，一般只用在大批量應(yīng)用的場合。

PROM

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由于ROM在出廠時已被固化，用戶無法定制自己的程序和數(shù)據(jù)，因此進行了改進，出現(xiàn)了PROM（Programmable ROM，可編程ROM）。也就是出廠時ROM里面沒有數(shù)據(jù)即全為1，用戶可以用專用工具進行固化程序數(shù)據(jù)到ROM中，但是這種機會只有一次，一旦寫入后也無法修改，若是出了錯誤，已寫入的芯片也只能報廢。

EPROM

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PROM這種只能一次性編程顯然成本高不符合開發(fā)需求，因此EPROM（Erasable Programmable ROM，可擦除可編程ROM）芯片出現(xiàn)，通過紫外線可重復擦除和寫入，解決了PROM芯片只能寫入一次的弊端。

EPROM芯片有一個很明顯的特征，在其正面的陶瓷封裝上，開有一個玻璃窗口，透過該窗口，可以看到其內(nèi)部的集成電路，紫外線透過該孔照射內(nèi)部芯片就可以擦除其內(nèi)的數(shù)據(jù)，完成芯片擦除的操作要用到EPROM擦除器。

EPROM的型號有以27開頭的系列，如2764(8*8K)是一片64K Bits容量的EPROM芯片。EPROM芯片在寫入程序后，還要以不透光的貼紙或膠布把窗口封住，以免受到周圍的紫外線照射而使程序丟失。

雖然EPROM可多次擦除編程，但是由于需要編程器，所以EPROM還是不是很方便使用，因此 EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM，電可擦除可編程ROM）隨著產(chǎn)生。EEPROM的擦除不需要借助于其它設(shè)備，它是以電子信號來修改其內(nèi)容的，而且是以Byte為最小修改單位， 不需要全部擦除再寫入，很適合嵌入式設(shè)備的外部存儲器。

目前EEPROM還有在使用，以Ateml公司的AT24C系列的CMOS E2PROM為例，其采用IIC通信接口，電壓1.8-3.6V，嵌入式設(shè)備應(yīng)用很廣泛。

Flash

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Flash目前主要是Intel于1988年開發(fā)出的NOR flash技術(shù)和1989年東芝公司開發(fā)的NAND flash技術(shù)；它們的出現(xiàn)徹底改變了存儲器市場上由EPROM（Erasable Programmable Read-Only-Memory電可編程序只讀存儲器）和EEPROM（電可擦只讀存儲器Electrically Erasable Programmable Read - Only Memory）一統(tǒng)天下的局面。

這兩種技術(shù)區(qū)別在于接口與內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu)。在接口方面，NOR flash有獨立的地址與數(shù)據(jù)線，而NAND flash沒有，他們的特性區(qū)別如下表所示：

內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面（基于SLC NAND），如下表所示區(qū)別：

5.1 nor flash

NOR Flash最大特點是支持XIP(Execute On Chip），既程序可以直接在NOR flash的片內(nèi)執(zhí)行，在NOR Flash中的代碼運行時不需要重定位復制到RAM內(nèi)。

如上圖所示Nor Flash，型號為MX29LV160。

NOR Flash的地址線和數(shù)據(jù)線分開，只要能夠提供數(shù)據(jù)地址，數(shù)據(jù)總線就能正確給出數(shù)據(jù)。不過不能直接對它進行寫操作，執(zhí)行寫操作之前需要先發(fā)送固定的命令序列，然后發(fā)送寫操作的地址和數(shù)據(jù)。

NOR Flash存儲器的最小訪問單元一般分為8位和16位的，也有一些NOR Flash器件同時支持8位和16位模式，這種Flash的位寬可以在設(shè)計硬件時選擇，當芯片的BYTE#引腳接為高電平，芯片工作在位寬16位模式，BYTE#引腳設(shè)為低電平時，芯片工作在位寬8位模式。

NOR Flash一般有多個扇區(qū)，扇區(qū)是NOR Flash擦除的最小單位，Nor Flash中每個扇區(qū)的大小也不是固定的。

MX29LV160為例，寫時序圖如下所示（地址與數(shù)據(jù)總線是獨立的）：

讀時序圖如下所示，具體可參考數(shù)據(jù)手冊：

5.2 nand flash

5.2.1、nand類型

Nand flash是現(xiàn)在使用最多的閃存技術(shù)，現(xiàn)在主流的SD卡、eMMC、UFS、SSD等都是基于Nand flash技術(shù)的。但是Nand flash根據(jù)其存儲單元的類型，可分為SLC、MLC、TLC、QLC、PLC、…… 后續(xù)會有很多類型的LC系列。這些類型的區(qū)別是同一個存儲單元可以表示 的數(shù)據(jù)位數(shù)不同，以SLC、MLC、TLC、QLC為例如下圖所示：

SLC：一個單元表示1bit數(shù)據(jù)；

MLC：一個單元表示2bit數(shù)據(jù)；

MLC：一個單元表示3bit數(shù)據(jù)；

QLC：一個單元表示4bit數(shù)據(jù)；

因此同樣尺寸大小的nand flash，基于QLC可以存儲的容量是SLC的4倍之多。但是雖然存儲容量多，但是在讀寫速率、擦除壽命及穩(wěn)定性上卻是更低的，目前市面上比較多的是基于SLC、MLC、TLC單元結(jié)構(gòu)的，特性對比如下：

SLC讀寫快，壽命長，但價格貴，容量低；而TLC讀寫慢，壽命短，但價格便宜，容量高。所以市面上基于nand flash的產(chǎn)品中，低端產(chǎn)品大部分都是TLC，中端產(chǎn)品大部分都是mlc，企業(yè)級的高端產(chǎn)品就是用SLC，追求的是穩(wěn)定。

5.2.2、2D與3D技術(shù)

現(xiàn)在市場上追求的是設(shè)備的小型化，但是容量要求最大化，因此通過不斷地提升制程工藝技術(shù)，減小每個存儲單元的大小，如從45nm到16nm（目前最先進制程為高通驍龍888處理器達5nm），能到達同樣的芯片體積存儲容量進行擴大。

但是制程提高也帶來了一個瓶頸，當隨著制程工藝提高，每個存儲單元越小，nand單元顆粒的氧化層越薄，可靠性越低，特別是QLC這種一個存儲單元表示4bit/cell數(shù)據(jù)，影響更大。

假設(shè)存儲單元電壓是 1.8V，對 SLC 而言，一個 bit 有二個狀態(tài)，平均分配 1.8V 電壓，每個狀態(tài)可以分到 0.9V；對 MLC 而言，四個狀態(tài)平均分配電壓，每個狀態(tài)可以分到 0.45V，以此類推，TLC 每個狀態(tài)只可以分到 0.225V，而 QLC 更慘，每個狀態(tài)只可以分到 0.1125V。在這么小的電壓下，這么多的狀態(tài)以極小的電壓區(qū)隔，電壓區(qū)隔越小越難控制，干擾也越復雜，而這些問題都會影響 TLC 或 QLC 閃存的性能、可靠性及穩(wěn)定性。

Nand 2D技術(shù)屬于平面閃存（Planar NAND）范疇，其通過工藝提高容量瓶頸在10/9nm上；因此Nand 3D技術(shù)早在2007年就被提出來，即立體結(jié)構(gòu)閃存。舉例說明：如果2D是平房，則3D就是高樓大廈，3D就是N層的2D閃存的堆疊，如上圖所示。

但是3D并不是簡單的進行堆疊，不同的公司有不同3D技術(shù)工藝，在3D閃存中具有代表性的工藝有：

也正因為3D NAND的技術(shù)，使得部分采用相應(yīng)技術(shù)的TLC產(chǎn)品達到了MLC的性能，就是我們常說的3D TLC。而三星、美光等大廠的第四代顆粒3D QLC產(chǎn)品也已經(jīng)投入了市場，讓廣大消費者體驗到了更高的容量、更低的價格、更快的讀寫性能。

隨著3D Nand的出現(xiàn)，2D由于無法在縮小單元尺寸的瓶頸限制，已經(jīng)走到盡頭，現(xiàn)在最新的3D堆疊層數(shù)達到了128層，如下圖所示：

5.2.3、nand接口與時序

Nand flash比nor flash寫/擦除快，壽命長，成本低，得到更加廣泛的應(yīng)用，但是其沒有獨立地址總線與數(shù)據(jù)總線，地址與數(shù)據(jù)共用8bit/16bit IO，因此其讀取速率方面比nor略低一些。

以美光MT29F系列nand flash為例（如MT29F16G08），其復用8bit或16bit IO用于傳輸命令、地址、數(shù)據(jù)，同時有5組控制信號CE#,CLE,ALE,WE#,RE#，還有WP寫保護與R/B狀態(tài)信號線。

各個引腳功能描述如下表所示：

寫命令時序：

寫地址時序：

數(shù)據(jù)寫入時序：

數(shù)據(jù)讀取時序：

以上讀寫MT29F系列芯片的具體命令與地址信息組成可參考MT29F系列的規(guī)格書，網(wǎng)盤地址為：

鏈接：

https://pan.baidu.com/s/15SHhADiX1uD4CCDA20nXvQ

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審核編輯 ：李倩