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华邦闪存flash基础原理

flash接口 容量存储 作者: 来源: 发布时间:2019-05-30 16:51:52   浏览:38

1、闪存基本介绍

Flash存储是存储界的新人和红人。Flash存储系统由于其优异的性能、高效的存储密度和出色的节能特性使得Flash存储有望替代机械磁盘成为企业级存储的核心。未来很有可能所有的数据都会存储在Flash存储介质上面,包括银行、中小企业、互联网、电信等存储大户。

紫外线可擦除存储器

当年沉迷于电子设计的时候,没有想到一个小小的Flash居然能够做成一个新兴的存储产业。做电子设计的时候,很多时候需要用到存储芯片,比较老的存储芯片如TI的27系列紫外线可擦除存储器。

该存储器需要通过紫外线照射的方式擦除已经存储的数据。也就是需要擦除数据的时候,将芯片放到太阳光底下去晒一段时间,晒完之后,存储在芯片内部的数据就没有了,芯片可以继续编程使用了。此类芯片使用非常麻烦,所以记得到2000年初的时候已经很少有人使用这种芯片了,取而代之用的最多的就是电可擦写存储器EEPROM。

电可擦写存储器EEPROM


EEPROM的典型代表是SPI接口的93CXX系列存储器,以及I2C接口的24CXX系列存储器。这些EEPROM容量都比较小,通常用来存储一些小容量数据,例如系统的配置信息。像网卡的配置信息、PCI桥的配置信息都存储在93C46之类的芯片中。

这种存储器一个比较好的特点是可以进行字节级编程,但是读写性能都很差。如果要进行大数据存储,是不能采用此类芯片的。例如,当初我设计一个收费站监控系统,需要存储一个月的营业额,那么需要采用大容量的可编程存储器进行数据存储。此时就需要采用Flash存储芯片了。

Flash存储芯片


和EEPROM相比,Flash存储芯片的一个特点是存储容量大,并且以块单元进行数据擦除操作,以Page页的方式进行数据读写。该类芯片都采用IO接口的方式与CPU相连,即通过命令的方式进行读写、擦除操作。

在电子设计的时候,使用Flash芯片最大的问题在于开发Flash的操作函数集,例如读page函数、写page函数、块擦除函数。在操作系统环境里,这些函数就构成了一个Flash芯片的驱动程序。此外,由于控制器通常采用GPIO和Flash相连,因此需要通过程序的方式模拟Flash接口时序。如果设计的板子上有FPGA/CPLD之类的可编程器件,那么可以通过Verilog/VHDL语言或者通过图形的方式设计一个Flash芯片的时序控制器,这样CPU控制器就无需采用软件方式模拟Flash时序了。

这些事情是电子设计工程师经常干的,而且也非常熟悉的东西。基于NAND Flash设计的存储系统电路图比较简单,如下图所示:

上面提到的Flash其实是NAND Flash,在电子设计的时候还会经常用到另外一种Flash——NOR Flash。

NOR Flash通常是用作程序存储器,容量不是很大。和NAND Flash相比,其最大的特点是读取速度快,但是写入速度要比NAND Flash慢,容量要小的多。因此,NOR Flash通常被用作程序存储器。

在低速的51系统中,程序可以直接运行在NOR Flash上;在高速的ARM系统中,程序需要从NOR Flash中引导到Memory中,然后在Memory中运行。和NAND Flash相比,NOR Flash的接口也大不一样。NOR Flash采用的是标准总线接口,有地址线、数据线和控制线之分,因此,处理器可以直接与NOR Flash相连,而不像NAND Flash一样还需要接口控制器。一个典型的NOR Flash电路原理图如下所示:

NOR Flash中的程序是需要编程写入的。如果是外置式的NOR Flash,那么需要一些小的技巧才能将程序写入NOR Flash。在ARM处理器中,最常用的思路是首先编写一个小的NOR Flash烧录程序,通过ARM处理器内部的Bootload程序将这个烧录程序下载到内存中,然后运行该烧录程序。编写的该烧录程序有如下几个方面的功能:
1、初始化内存,使得ARM处理器能够使用所有的板载内存
2、通过串口接收需要烧录的程序数据,并且把需要下载的数据缓存至内存中
3、能够操作NOR Flash,并且将内存中的数据烧写入NOR Flash
上述这些工作是嵌入式工程师经常需要做的事情。

Flash的未来

在未踏入存储这个行业的时候,对NAND Flash也就是这个理解,仅仅是作为电子设计的一个大容量存储器而已,最多在嵌入式的环境下跑跑Flash的文件系统。但是,这么多年对存储进行深入研究、开发之后发现,NAND Flash的确拥有很多的优势,但是同时也存在很多的问题。如果想要将NAND Flash应用到企业级存储领域,那么面临的挑战将十分严峻。有一篇文章《采用NAND Flash设计存储设备的挑战在哪里》也蜻蜓点水的分析了一下NAND Flash作为企业级存储介质存在的一些挑战,真正想把NAND Flash的特点发挥到极致,需要走的路还很长。

业内很多人都在研究Flash Translation Layer(FTL)算法,目的就是要把NAND Flash的问题屏蔽掉,然后对外提供标准的块设备接口,从而使得传统的应用软件可以直接在Flash上跑起来。

可以说FTL是Flash存储最底层的核心技术,其解决了不均衡的性能问题、写放大问题、块擦除的寿命问题。通过这些问题的解决,使得NAND Flash很多方面可以和传统的机械磁盘相媲美,在性能上远远超过传统硬盘。

到目前为止,个人认为FTL算法已经研究的相对很成熟了,所以,基于FTL的Flash盘应该说可以大规模应用了,其主要障碍就在于NAND Flash芯片成本了。

基于flash闪存存储系统重点

在企业级Flash存储中,仅仅有FTL算法是远远不够的。
基于Flash如何做盘阵?
基于Flash如果做文件系统?
基于Flash如果做大规模存储系统?

这些存储级别的问题还没有得到完美的解决。

个人认为,在Flash存储这一块,RAID技术、文件系统、互连技术、多处理器并行(集群)处理技术应该是研发攻关的重点。

编辑:Simon  最后修改时间:2019-06-14