flash存储原理

flash存储原理

一、半导体存储设备的原理

目前市面上出现了大量的便携式存储设备,这些设备大部分是以半导体芯片为存储介质的。采用半导体存储介质,可以把体积变的很小,便于携带;与硬盘之类的存储设备不同,它没有机械结构,所以也不怕碰撞;没有机械噪声;与其它存储设备相比,耗电量很小;读写速度也非常快。半导体存储设备的主要缺点就是价格和容量。

现在的半导体存储设备普遍采用了一种叫做“FLASH MEMORY”的技术。从字面上可理解为闪速存储器,它的擦写速度快是相对于EPROM而言的。FLASH MEMORY是一种非易失型存储器,因为掉电后,芯片内的数据不会丢失,所以很适合用来作电脑的外部存储设备。它采用电擦写方式、可10万次重复擦写、擦写速度快、耗电量小。

1.NOR型FLASH芯片

我们知道三极管具备导通和不导通两种状态,这两种状态可以用来表示数据0和数据1,因此利用三极管作为存储单元的三极管阵列就可作为存储设备。FLASH 技术是采用特殊的浮栅场效应管作为存储单元。这种场效应管的结构与普通场管有很大区别。它具有两个栅极,一个如普通场管栅极一样,用导线引出,称为“选择栅”;另一个则处于二氧化硅的包围之中不与任何部分相连,这个不与任何部分相连的栅极称为“浮栅”。通常情况下,浮栅不带电荷,则场效应管处于不导通状态,场效应管的漏极电平为高,则表示数据1。编程时,场效应管的漏极和选择栅都加上较高的编程电压,源极则接地。这样大量电子从源极流向漏极,形成相当大的电流,产生大量热电子,并从衬底的二氧化硅层俘获电子,由于电子的密度大,有的电子就到达了衬底与浮栅之间的二氧化硅层,这时由于选择栅加有高电压,在电场作用下,这些电子又通过二氧化硅层到达浮栅,并在浮栅上形成电子团。浮栅上的电子团即使在掉电的情况下,仍然会存留在浮栅上,所以信息能够长期保存(通常来说,这个时间可达10年。由于浮栅为负,所以选择栅为正,在存储器电路中,源极接地,所以相当于场效应管导通,漏极电平为低,即数据0被写入。擦除时,源极加上较高的编程电压,选择栅接地,漏极开

路。根据隧道效应和量子力学的原理,浮栅上的电子将穿过势垒到达源极,浮栅上没有电子后,就意味着信息被擦除了。

由于热电子的速度快,所以编程时间短,并且数据保存的效果好,但是耗电量比较大。

每个场效应管为一个独立的存储单元。一组场效应管的漏极连接在一起组成位线,场效应管的栅极连接在一起组成选择线,可以直接访问每一个存储单元,也就是说可以以字节或字为单位进行寻址,属于并行方式。因此可以实现快速的随机访问,但是这种方式使得存储密度降低,相同容量时耗费的硅片面积比较大,因而这种类型的FLASH芯片的价格比较高。

特点:数据线和地址线分离、以字节或字为单位编程、以块为单位擦除、编程和擦除的速度慢、耗电量大、价格高。

2.NAND型FLASH芯片

NAND型FLASH芯片的存储原理与NOR型稍有不同,编程时,它不是利用热电子效应,而是利用了量子的隧道效应。在选择栅加上较高的编程电压,源极和漏极接地,使电子穿越势垒到达浮栅,并聚集在浮栅上,存储信息。擦除时仍利用隧道效应,不过把电压反过来,从而消除浮栅上的电子,达到清除信息的结果。

利用隧道效应,编程速度比较慢,数据保存效果稍差,但是很省电。

一组场效应管为一个基本存储单元(通常为8位、16位等。一组场效应管串行连接在一起,一组场效应管只有一根位线,属于串行方式,随机访问速度比较慢。但是存储密度很高,可以在很小的芯片上做到很大的容量。

特点:读写操作是以页为单位的,擦除是以块为单位的,因此编程和擦除的速度都非常快;数据线和地址线共用,采用串行方式,随机读取速度慢,不能按字节随机编程。体积小,价格低。芯片内存在失效块,需要查错和效验功能。

3.AND型FLASH芯片

AND技术是Hitachi公司的专利技术。AND是一种结合了NOR和NAND

的优点的串行FLASH芯片,它结合了INTEL公司的MLC技术,加上0.18μm的生产工艺,生产出的芯片,容量更大、功耗更低、体积更小、采用单一操作电压、块比较小。并且由于内部包含与块一样大的RAM缓冲区,因而克服了因采用MLC 技术带来的性能降低。

特点:功耗特别低,读电流为2mA,待机电流仅为1μA。芯片内部有RAM缓冲区,写入速度快。

// MLC(Multi-level Cell技术,这是INTEL提出的一种旨在提高存储密度的新技术。通常数据存储中存在一个阙值电压,低于这个电压表示数据0,高于这个电压表示数据1,所以一个基本存储单元(即一个场效应管可存储一位数据(0或者1。现在将阙值电压变为4种,则一个基本存储单元可以输出四种不同的电压,令这四种电压分别对应二进制数据00、01、10、11,则可以看出,每个基本存储单元一次可存储两位数据(00或者01或者10或者11。如果阙值电压变为8种,则一个基本存储单元一次可存储3位数据。阙值电压越多,则一个基本存储单元可存储的数据位数也越多。这样一来,存储密度大大增加,同样面积的硅片上就可以做到更大的存储容量。不过阙值电压越多,干扰也就越严重。

二、各种各样的半导体存储卡

1.ATA FLASH卡

这种存储卡是基于FLASH技术(通常采用NAND型的ATA接口的PC卡。在电源管理方面,具备休眠、待命、运行和闲置等4种模式,整体功耗比较小。具有

I/O、内存和ATA三种接口方式。由于体积比较大,所以可以使用更多的存储芯片,因而也可以做到更大的容量。主要用于笔记本电脑、数码相机和台式PC 机。

从图中可以看出,ATA FLASH卡由控制芯片和存储模块两部分组成。智能化的控制芯片有两个作用,一是对FLASH芯片的控制,另外就是完成PC卡的ATA (IDE 接口功能。由于接口支持IDE模式,所以可以通过简单的转接到PC机的IDE接

口。它支持扇区方式读写,可以象操作硬盘一样对它进行各种操作。接口有68个引脚。因为引脚中的电源和地两个引脚比其它引脚要长,保证了信号脚先分离,最后断电,所以支持热插拔。

主要特点:存储容量大(可达1G、即插即用、支持热插拔、传输速率约10M/s。

ATA FLASH卡需要专用的读写设备,通常笔记本电脑内置了这种读写器。

2.CF卡

COMPACTFLASH是一种小型移动存储设备。这种标准是在1994年由SCANDISK公司提出的。CF卡兼容PCMCIA-ATA标准、兼容TRUEIDE标准、兼容ATA/ATAPI-4标准。其体积为43mm (1.7" x 36mm (1.4" x 3.3mm (0.13",有50条引脚。主要用于数码相机、MP3播放器、PDA等便携式产品。

CF卡的内部结构与ATA FLASH卡类似,也是由控制芯片和存储模块组成。智能化的控制芯片提供一个连接到计算机的高电平接口,这个接口运行计算机发布命令对存储卡以块为单位进行读写操作。块的大小为16K,有ECC效验。控制芯片管理着接口协议、数据存储、通过ECC效验修复数据、错误诊断、电源管理和时钟控制,一旦CF卡通过计算机的设置,它将以一个标准的ATA硬盘驱动器出现,你可以象对其它硬盘一样对它进行操作。

CF卡需要专用的读写设备。但是因为它兼容PCMCIA-ATA标准,所以可以通过一个转接卡当做PCMCIA设备来使用。

3.SM卡

SMART MEDIA CARD简称SM卡,它是基于NAND型FLASH芯片的存储卡。它的最大特点是体积小(45.0mm x 37.0mm x 0.76mm 、重量轻(2克。主要用于数码相机、PDA、电子音乐设备、数码录音机、打印机、扫描仪以及便携式终端设备等。