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FLASH存储器详解

SDRAM 是嵌入式系统的内存,而 FLASH 则可以看作嵌入式系统的硬盘,主要用于存放嵌入式系统运行所必需的数据,如操作系统和应用程序等。

1. FLASH的分类

目前市场上的 FLASH 可以分为由 Intel 公司在 1988 年发布的 NOR 和东芝公司在 1989 年发布的 NAND 两大类,它们因为其内部结构分别与“或非门”和“与非门”相似而得名,它们的内部结构、外部特性和应用均有较大差异。

1) Intel 公司发布的 NOR FLASH

通常来说,NOR FLASH 的容量不大,常见的只有几 MB,可以重复擦写的次数较多,可以达到 10 万次~100 万次,遵循 CFI 标准可以通过 CFI 命令查询制造商、型号、容量、内部扇区布局等参数,从而通过软件实现自动配置,并且其可以保证无坏块,每个数据位都是有效的,并且其寻址采用了线性的完整数据和地址线编码。

因此,NOR FLASH 通常用于充当嵌入式系统的启动存储器、刻录 U-BOOT 等。NOR FLASH 支持芯片内执行(eXecute In Place,XIP),程序可以直接在 NOR FLASH 中执行,其使用方法和普通的 SDRAM 几乎没有区别。

2) 东芝公司发布的 NAND FLASH

NAND FLASH 则可以做得很大,从几十 MB~几 GB,其可重复擦写的次数不如 NOR FLASH,但是也可以达到 10 万次,其没有数据线和地址线概念,只有复用的 I/O 引脚和控制引脚,所以必须通过特定的逻辑来操作,不能作为嵌入式系统的启动 ROM(某些在内部固化了对 NADN FLASH 支持代码的处理器例外,如AT91SAM926x)。NAND FLASH 在出厂时候除了内部第一块外允许有坏块的存在并且可以进行相应的标记处理。

目前 NOR FLASH 和 NAND FLASH 都出现了使用 SPI 接口的串行接口产品,其可以显著地减小电路板的设计难度和面积,容量也和普通的芯片相当,只是有可能不能充当启动 ROM。

NOR FLASH 和 NAND FLASH 的比较如表 1 所示。

表 1:NOR FLASH 和 NAND FLASH 的比较
特点 NOR FLASH NAND FLASH
传输速率 很高 较低
写入和擦除速度 较低 较高
读速度 较高 较低
写入/擦除操作速度 以 64~128KB 的块进行,时间为 5s 8~32KB 的块,只需要 4ms
外部接口 带有 SRAM 接口,有足够的地址引脚,可以对内部每个字节进行寻址操作。 使用复杂的 I/O 引脚来串行的存取数据
价格 较高 较低
单片容量 1~16MB 8~128MB
用途 代码存储 数据存储,如 CF 卡、MMC 卡等
写操作 以字节或字为单位 以页面为基础单位

2. NAND FLASH 的内部结构

NAND FLASH 由 BLOCK(块)构成,块的基本组成单元是 PAGE(页),一个块通常由 16、32 或 64 个页组成。页的大小有两种,其中 small page 的大小为 528 字节,包含了 512 字节的数据存储区和 16 字节的备用区域;对应的 large page 的页则由 2048 字节的数据存储区(Data area)和 64 字节的备用区域(Spare area)组成,图 1 给出了两种页面组成的 NAND FLASH 结构示意。

NAND FALSH 结构示意
图 1:NAND FALSH 结构示意

NAND FLASH 有三种基本操作,页面读、页面写和块擦除:

  • 在页面读操作中,该页内的数据首先被读入数据寄存器,然后输出;
  • 在页面写操作中,该页内的数据首先被写入数据寄存器,然后写入存储空间中;
  • 在块擦除操作中,一组连续的页在单独操作下被擦除。

备用区域(Spare Area)可以用于标识 NAND FLASH 中的坏块(BAD BLOCK),也可以用于和数据存储区(Data Area)一样存储数据,其使用方法可以参考图 2,这是三星公司提出的一种标准,包括 8 位的 small page、16 位的 small page、8 位的 large page 和 16 位的 large page 四种格式。

NAND FLASH 的备用区域使用标准
图 2:NAND FLASH 的备用区域使用标准

3. 常见的FLASH芯片型号

常见的 NOR FLASH 芯片如表 2 所示。

表 2:常见 NOR FLASH 型号
厂商 型号 容量(B) 结构 电压
ST M29F512B 512K 8 位 5V
M29F010B 1M
M29F002B 2M
M29F040B 4M
M29080A 8M
M29F016B 16M
M29F100B
M29F102B
1M 8 位/ 16 位
M29F200B 2M
M29F400B 4M
M29F800B 8M
M29F160B 16M
M29W512B 512K 8 位 3V
M29W010B 1M
M29W002B
M29W022B
2M
M29W040B
M29W004B
4M
M29W008A 8M
M29W116B 16M
M29W102B 1M 8 位/ 16 位
M29W200B 2M
M29W400B 4M
M29W800A 8M
M29W160B 16M
ATMEL AT49F512
AT29C512
AT29C010A
512K 8 位 5V
AT49F010
AT49HF010A
AT49F001
1M
AT29C020
AT49F020
AT49F002
2M
AT29C040
AT49F040
4M
AT49C008
AT49F080
8M
AT29F1614
AT49F1614T
16M
AT29C1024
AT49F102A
AT49F1045
1M 8 位/ 16 位 5V
AT49F2048 2M
AT49F4096A 4M
AT49F8192 8M
AT49F1604
AT49F1604T
16M
AT49BV512
AT29LV512
512K 8 位 3V
AT29BV010A
AT49BV010
AT49HBV010
AT49BV001
1M
AT29BV020
AT29LV020
AT49BV020
AT49BV002
AT49LV020
AT49LV002
2M
AT29BV040A
AT29LV040A
AT49BV040
AT49LV040
4M
AT49BV080
AT49LV080
8M
AT29LV1204 1M 8 位/ 16 位 3V
AT29BV2048
AT49LV2048
2M
AT49BV4096A
AT49LV4096A
4M
AT49BV8192
AT49LV8192
8M
hynix HY29F002T/C 2M 8 位 5V
HY29F040
HY29F040A
4M
HY29F080T/C 8M
HY29F400T/G 4M 8 位/ 16位 5V
HY29F800T/G 8M

注意:此外 SST、Intel、AMD、Micron 等公司也都有对应的产品,用户可以自行查阅相应的手册,从表 2 中可以看到常用的 NOR FLASH 最大容量也就是16MB。

常见的 NAND FLASH 芯片如表 3 所示。

表 3:常见 NAND FLASH 型号介绍
厂商 型号 容量 备注
Samsung K9F2808 16M  
K9F5608 32M  
K9F1208 64M  
K9K1G08 128M  
K9E2G08 256M  
K9W4G08 512M  
K9K8G08 1G  
K9WAG08 2G  
K9NBG08 4G  
K9NCG08 8G  
K9MDG08 16G  
K9PFG08 32G  
Micron MT29F1G08 128M 1.8V
MT29F2G08 256M  
MT29F4G08 512M  
MT29F8G08 1G  
MT29F8G08A 1G 3.3V
MT29F16G08 2G  
MT29F32G08 4G  
MT29F64G08 8G  
MT29F128G08 16G  
Intel JS29F04G08 512M  
JS29F08G08 1G  
JS29F16G08 2G  
JS29F32G08 4G  
JS29F64G08 8G  
JS29F16B08 16G  
JS29F32B08 32G  
Hynix HY27US08281A 16M  
HY27US08561M 32M  
HY27US08121M 64M  
HY27UA081G4M 128M  
HY27UF082G2M 256M  
HY27UG084G2M 512M  
HY27UG088G5M 1G  
HY27UH08AG5B 2G  
HY27UK08BGFB 4G  
HY27UW08CGFM 8G  
H27UAG8M2MYR 16G  

注意:此外 Spectek、Renesas、ST、Toshiba、SanDisk 等公司也都有相应的产品,用户可以自行查阅相应的手册,从表 3 中可以看到常用的 NAND FLASH 的容量通常在 16MB~32GB 之间。

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