NAND与NOR FLASH的原理及异同

NAND与NOR FLASH的原理与异同！
一、存储数据的原理
两种闪存都是用三端器件作为存储单元，分别为源极、漏极和栅极，与场效应管的工作原理相同，主要是利用电场的效应来控制源极与漏极之间的通断，栅极的电流消耗极小，不同的是场效应管为单栅极结构，而FLASH为双栅极结构，在栅极与硅衬底之间增加了一个浮置栅极。

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浮置栅极是由氮化物夹在两层二氧化硅材料之间构成的，中间的氮化物就是可以存储电荷的电荷势阱。

上下两层氧化物的厚度大于50埃，以避免发生击穿。

二、浮栅的重放电
向数据单元内写入数据的过程就是向电荷势阱注入电荷的过程，写入数据有两种技术，热电子注入(hot electron injection)和F-N隧道效应(Fowler Nordheim tunneling)，前一种是通过源极给浮栅充电，后一种是通过硅基层给浮栅充电。

NOR型FLASH通过热电子注入方式给浮栅充电，而NAND则通过 F-N隧道效应给浮栅充电。

在写入新数据之前，必须先将原来的数据擦除，这点跟硬盘不同，也就是将浮栅的电荷放掉，两种FLASH都是通过F-N隧道效应放电。

三、0和1
这方面两种FLASH一样，向浮栅中注入电荷表示写入了'0'，没有注入电荷表示'1'，所以对FLASH清除数据是写1的，这与硬盘正好相反；
对于浮栅中有电荷的单元来说，由于浮栅的感应作用，在源极和漏极之间将形成带正电的空间电荷区，这时无论控制极上有没有施加偏置电压，晶体管都将处于导通状态。

而对于浮栅中没有电荷的晶体管来说只有当控制极上施加有适当的偏置电压，在硅基层上感应出电荷，源极和漏极才能导通，也就是说在没有给控制极施加偏置电压时，晶体管是截止的。

如果晶体管的源极接地而漏极接位线，在无偏置电压的情况下，检测晶体管的导通状态就可以获得存储单元中的数据，如果位线上的电平为低，说明晶体管处于导通状态，读取的数据为0，如果位线上为高电平，则说明晶体管处于截止状态，读取的数据为1。

由于控制栅极在读取数据的过程中施加的电压较小或根本不施加电压，不足以改变浮置栅极中原有的电荷量，所以读取操作不会改变FLASH中原有的数据。

四、连接和编址方式
两种FLASH具有相同的存储单元，工作原理也一样，为了缩短存取时间并不是对每个单元进行单独的存取操作，而是对一定数量的存取单元进行集体操作， NAND型FLASH各存储单元之间是串联的，而NOR型FLASH各单元之间是并联的；为了对全部的存储单元有效管理，必须对存储单元进行统一编址。

NAND的全部存储单元分为若干个块，每个块又分为若干个页，每个页是512byte，就是512个8位数，就是说每个页有512条位线，每条位线下有8个存储单元；那么每页存储的数据正好跟硬盘的一个扇区存储的数据相同，这是设计时为了方便与磁盘进行数据交换而特意安排的，那么块就类似硬盘的簇；容量不同，块的数量不同，组成块的页的数量也不同。

在读取数据时，当字线和位线锁定某个晶体管时，该晶体管的控制极不加偏置电压，其它的7个都加上偏置电压而导通，如果这个晶体管的浮栅中有电荷就会导通使位线为低电平，读出的数就是0，反之就是1。

NOR的每个存储单元以并联的方式连接到位线，方便对每一位进行随机存取；具有专用的地址线，可以实现一次性的直接寻址；缩短了FLASH对处理器指令的执行时间。

五、性能
1、速度
在写数据和擦除数据时，NAND由于支持整块擦写操作，所以速度比NOR要快得多，两者相差近千倍；读取时，由于NAND要先向芯片发送地址信息进行寻址才能开始读写数据，而它的地址信息包括块号、块内页号和页内字节号等部分，要顺序选择才能定位到要操作的字节；这样每进行一次数据访问需要经过三次寻址，至少要三个时钟周期；而NOR型FLASH的操作则是以字或字节为单位进行的，直接读取，所以读取数据时，NOR有明显优势。

2、容量和成本
NOR型FLASH的每个存储单元与位线相连，增加了芯片内位线的数量，不利于存储密度的提高。

所以在面积和工艺相同的情况下，NAND型FLASH的容量比NOR要大得多，生产成本更低，也更容易生产大容量的芯片。

3、易用性
NAND FLASH的I/O端口采用复用的数据线和地址线，必须先通过寄存器串行地进行数据存取，各个产品或厂商对信号的定义不同，增加了应用的难度；NOR FLASH有专用的地址引脚来寻址，较容易与其它芯片进行连接，另外还支持本地执行，应用程序可以直接在FLASH内部运行，可以简化产品设计。

4、可靠性
NAND FLASH相邻单元之间较易发生位翻转而导致坏块出现，而且是随机分布的，如果想在生产过程中消除坏块会导致成品率太低、性价比很差，所以在出厂前要在高温、高压条件下检测生产过程中产生的坏块，写入坏块标记，防止使用时向坏块写入数据；但在使用过程中还难免产生新的坏块，所以在使用的时候要配合 EDC/ECC(错误探测/错误更正)和BBM(坏块管理)等软件措施来保障数据的可靠性。

坏块管理软件能够发现并更换一个读写失败的区块，将数据复制到一个有效的区块。

5、耐久性
FLASH由于写入和擦除数据时会导致介质的氧化降解，导致芯片老化，在这个方面NOR 尤甚，所以并不适合频繁地擦写，NAND的擦写次数是100万次，而NOR只有10万次。

目前Flash主要有两种NOR Flash和NADN Flash。

NOR Flash的读取和我们常见的SDRAM的读取是一样，用户可以直接运行装载在NOR FLASH里面的代码，这样可以减少SRAM的容量从而节约了成本。

NAND Flash没有采取内存的随机读取技术，它的读取是以一次读取一块的形式来进行的，通常是一次读取512个字节，采用这种技术的Flash比较廉价。

用户不能直接运行NAND Flash上的代码，因此好多使用NAND Flash的开发板除了使用NAND Flah以外，还作上了一块小的NOR Flash来运行启动代码。

一般小容量的用NOR Flash，因为其读取速度快，多用来存储操作系统等重要信息，而大容量的用NAND FLASH，最常见的NAND FLASH应用是嵌入式系统采用的DOC（Disk On Chip）和我们通常用的"闪盘"，可以在线擦除。

目前市面上的FLASH 主要来自Intel，AMD，Fujitsu和Toshiba，而生产NAND Flash的主要厂家有Samsung和Toshiba。

NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。

Intel于1988年首先开发出NOR flash技术，彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面。

紧接着，1989年，东芝公司发表了NAND flash结构，强调降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。

但是经过了十多年之后，仍然有相当多的硬件工程师分不清NOR 和NAND闪存。

相“flash存储器”经常可以与相“NOR存储器”互换使用。

许多业内人士也搞不清楚NAND 闪存技术相对于NOR技术的优越之处，因为大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码，这时NOR闪存更适合一些。

而NAND则是高数据存储密度的理想解决方案。

NOR的特点是芯片内执行(XIP, eXecute In Place)，这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。

NOR的传输效率很高，在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。

NAND结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。

应用NAND的困难在于flash的管理和需要特殊的系统接口。

性能比较
flash闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。

任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。

NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。

由于擦除NOR器件时是以64～128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s，
与此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms。

执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距，统计表明，对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。

这样，当选择存储解决方案时，设计师必须权衡以下的各项因素。

● NOR的读速度比NAND稍快一些。

● NAND的写入速度比NOR快很多。

● NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。

●大多数写入操作需要先进行擦除操作。

● NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。

接口差别
NOR flash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节。

NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，各个产品或厂商的方法可能各不相同。

8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。

NAND读和写操作采用512字节的块，这一点有点像硬盘管理此类操作，很自然地，基于NAND的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。

容量和成本
NAND flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半，由于生产过程更为简单，NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就相应地降低了价格。

NOR flash占据了容量为1～16MB闪存市场的大部分，而NAND flash只是用在8～128MB 的产品当中，这也说明NOR主要应用在代码存储介质中，NAND适合于数据存储，NAND 在CompactFlash、 Secure Digital、PC Cards和MMC存储卡市场上所占份额最大。

可靠性和耐用性
采用flahs介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。

对于需要扩展MTBF的系统来说，Flash 是非常合适的存储方案。

可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可靠性。

寿命(耐用性)
在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而NOR的擦写次数是十万次。

NAND 存储器除了具有10比1的块擦除周期优势，典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍，每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些。

位交换
所有flash器件都受位交换现象的困扰。

在某些情况下(很少见，NAND发生的次数要比NOR 多)，一个比特位会发生反转或被报告反转了。

一位的变化可能不很明显，但是如果发生在一个关键文件上，这个小小的故障可能导致系统停机。

如果只是报告有问题，多读几次就可能解决了。

当然，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。

位反转的问题更多见于NAND闪存，NAND的供应商建议使用NAND闪存的时候，同时使用EDC/ECC算法。

这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。

当然，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时，必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。

坏块处理
NAND器件中的坏块是随机分布的。

以前也曾有过消除坏块的努力，但发现成品率太低，代价太高，根本不划算。

NAND器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。

在已制成的器件中，如果通过可靠的方法不能进行这项处理，将导致高故障率。

易于使用
可以非常直接地使用基于NOR的闪存，可以像其他存储器那样连接，并可以在上面直接运行代码。

由于需要I/O接口，NAND要复杂得多。

各种NAND器件的存取方法因厂家而异。

在使用NAND器件时，必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操作。

向NAND器件写入信息需要相当的技巧，因为设计师绝不能向坏
块写入，这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。

软件支持
当讨论软件支持的时候，应该区别基本的读/写/擦操作和高一级的用于磁盘仿真和闪存管理算法的软件，包括性能优化。

在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持，在NAND器件上进行同样操作时，通常需要驱动程序，也就是内存技术驱动程序(MTD)，NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。

使用NOR器件时所需要的MTD要相对少一些，许多厂商都提供用于NOR器件的更高级软件，这其中包括M-System的TrueFFS驱动，该驱动被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等厂商所采用。

驱动还用于对DiskOnChip产品进行仿真和NAND闪存的管理，包括纠错、坏块处理和损耗平衡。

Flash闪存是非易失存储器（所谓非易失性即掉电仍旧能保存信息的特性），可以对称为块的存储器单元“块”进行擦写和再编程。

NAND电子盘模块结构图，内部不存在存储控制器，我们可以简单地认为某容量（比如32MB）内部分成一个个小方块似的存储空间，每个空间内都能存储一定量大小的信息。

NOR型闪存的块大小为64～128KB，而NAND型闪存块的大小为8～32KB，在上一篇中介绍的三星闪存块头大小就是16KB，整个32MB容量是由2000个这样大小的存储空间组成。

任何Flash闪存的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除操作。

NAND闪存执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位（bit）都写为0。

NAND 型的单元排列是串行的，而NOR型则是并行的。

在NAND型闪存中，存贮单元被
分成页，由页组成块。

根据容量不同，块和页的大小有所不同，而组成块的页的数量也会不同，如8MB的模块，页大小为（512+16）Byte、块大小为（8K+256）Byte；而2MB模块，页大小为（256+8）Byte、块大小为（4K+128）Byte。

NAND型存贮单元的读写是以块和页为单位来进行的，像硬盘多过像传统的内存。

实际上， NAND型的Flash Memory 可以看做是顺序读取的设备，它仅用8比特的I/O端口就可以存取按页为单位的数据。

正因为这样，它在读和擦文件、特别是连续的大文件时，与NOR型的Flash Memory相比速度相当的快。

但NAND型的不足在于随机存取速度较慢，而且没有办法按字节写；这些方面就恰好是NOR型的优点所在：NOR型随机存取速度较快，而且可以随机按字节写。

正因为这些特点，所以NAND型的Flash Memory适合用在大容量的多媒体应用中，而NOR型适合应用在数据/程序存贮应用中。

简单地说，NOR型闪存像内存，存储程序代码为主，CPU能直接处理，我们可以称之为Code Flash；NAND型闪存像硬盘，存储数据为主，容量大，我们称之为Data Flash。