NOR与NAND非易失闪存技术的原理与区别

NOR与NAND非易失闪存技术的原理与区别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NORflash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NANDflash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。简单的来说，NAND规格快闪记忆体像硬碟，以储存数据为主，又称为DataFlash，晶片容量大，目前主流容量已达二Gb；NOR规格记忆体则类似DRAM，以储存程序代码为主，又称为CodeFlash，所以可让微处理器直接读取，但晶片容量较低，主流容量为512Mb。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,eXecuteInPlace)，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。1.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。2.接口差别NORflash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。3.容量和成本NANDflash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。NORflash占据了容量为1～16MB闪存市场的大部分，而NANDflash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、SecureDigital、PCCards和MMC存储卡市场上所占份额最大。4.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。5.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。6.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。7.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。8.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WindRiverSystem、Microsoft、QNXSoftwareSystem、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。NOR与NAND技术的比较及使用性差异1）闪存芯片读写的基本单位不同应用程序对NOR芯片操作以“字”为基本单位。为了方便对大容量NOR闪存的管理，通常将NOR闪存分成大小为128KB或者64KB的逻辑块，有时候块内还分成扇区。读写时需要同时指定逻辑块号和块内偏移。应用程序对NAND芯片操作是以“块”为基本单位。NAND闪存的块比较小，一般是8KB，然后每块又分成页，页的大小一般是512字节。要修改NAND芯片中一个字节，必须重写整个数据块。2）NOR闪存是随机存储介质，用于数据量较小的场合；NAND闪存是连续存储介质，适合存放大的数据。3)由于NOR地址线和数据线分开，所以NOR芯片可以像SRAM一样连在数据线上。NOR芯片的使用也类似于通常的内存芯片，它的传输效率很高，可执行程序可以在芯片内执行(XIP,eXecuteInPlace)，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。由于NOR的这个特点，嵌入式系统中经常将NOR芯片做启动芯片使用。而NAND共用地址和数据总线，需要额外联结一些控制的输入输出，所以直接将NAND芯片做启动芯片比较难。4)NAND闪存芯片因为共用地址和数据总线的原因，不允许对一个字节甚至一个块进行的数据清空，只能对一个固定大小的区域进行清零操作；而NOR芯片可以对字进行操作。所以在处理小数据量的I/O操作的时候的速度要快与NAND的速度。比如一块NOR芯片通常写一个字需要10微秒，那么在32位总线上写512字节需要1280毫秒；而NAND闪存写512字节需要的时间包括：512×每字节50纳秒+10微秒的寻页时间+200微秒的片擦写时间＝234微秒。5）NAND闪存的容量比较大，目前最大容量己经达到8G字节。为了方便管理，NAND的存储空间使用了块和页两级存储体系，也就是说闪存的存储空间是二维的，比如K9F5608UOA闪存块的大小为16K，每页的大小是512字节，每页还预留16字节空闲区用来存放错误校验码空间(有时也称为out-of-band，OOB空间)；在进行写操作的时候NAND闪存每次将一个字节的数据放入内部的缓存区，然后再发出“写指令”进行写操作。由于对NAND闪存的操作都是以块和页为单位的，所以在向NAND闪存进行大量数据的读写时，NAND的速度要快于NOR闪存。6）NOR闪存的可靠性要高于NAND闪存，这主要是因为NOR型闪存的接口简单，数据操作少，位交换操作少，因此可靠性高，极少出现坏区块，因而一般用在对可靠性要求高的地方。相反的，NAND型闪存接口和操作均相对复杂，位交换操作也很多，关键性数据更是需安错误探测/错误更正〔EDC/ECC)算法来确保数据的完整性，因此出现问题的几率要大得多，坏区块也是不可避免的，而且由于坏区块是随机分布的，连纠错也无法做到。7）NANDFlash一般地址线和数据线共用，对读写速度有一定影响；而NORFlash闪存数据线和地址线分开，所以相对而言读写速度快一些。NAND和NOR芯片的共性首先表现在向芯片中写数据必须先将芯片中对应的内容清空，然后再写入，也就是通常说的“先擦后写”。只不过NOR芯片只用擦写一个字，而NAND需要擦写整个块。其次，闪存擦写的次数都是有限的.当闪存的使用接近使用寿命的时候，经常会出现写操作失败；到达使用寿命时，闪存内部存放的数据虽然可以读，但是不能再进行写操作了所以为了防止上面问题的发生，不能对某个特定的区域反复进行写操作。通常NAND的可擦写次数高于NOR芯片，但是由于NAND通常是整块擦写，块内的页面中如果有一位失效整个块就会失效，而且由于擦写过程复杂，失败的概率相对较高，所以从整体上来说NOR的寿命较长。另一个共性是闪存的读写操作不仅仅是一个物理操作，实际上在闪存上存放数据必须使用算法实现，这个模块一般在驱动程序的MTD'(MemoryTechnologyDrivers)模块中或者在FTLZ(FlashTranslationLayer)层内实现，具体算法和芯片的生产厂商以及芯片型号有关系。从使用角度来看，NOR闪存与NAND闪存是各有特点的：（1）NOR的存储密度低，所以存储一个字节的成本也较高，而NAND闪存的存储密度和存储容量均比较高；（2）NAND型闪存在擦、写文件（特别是连续的大文件）时速度非常快，非常适用于顺序读取的场合，而NOR的读取速度很快，在随机存取的应用中有良好的表现。NOR与NAND各有所长，但两种优势无法在一个芯片上得到体现。所以，设计人员在选用芯片时，只能趋其利而避其害，依照使用目的和主要功能在两者之间进行适当的选择。NAND与NOR技术的比较一般的原则是：在大容量的多媒体应用中选用NAND型闪存，而在数据/程序存贮应用中选用NOR型闪存。根据这一原则，设计人员也可以把两种闪存芯片结合起来使用，用NOR芯片存储程序，用NAND芯片存储数据，使两种闪存的优势互补。事实上，这种聪明的设计早已普遍应用于手机、PocketPC、PDA及电子词典等设备中了。在选择存储解决方案时，设计师必须在多种因素之间进行权衡，以获得较高的性价比。以手机为例，采用支持XIP技术的NOR闪存能够直接运行OS，速度很快，既简化了设计，又降低了成本，所以许多手机都采用NOR＋RAM的设计。NOR闪存的不足之处是存储密度较低，所以也有采用NAND＋RAM的设计。对于这两种方案，很难说哪一种更好，因为我们不能离开具体的产品而从某一个方面单纯地去评价。追求小巧优雅的手机将需要NOR闪存支持；追求大存储容量的手机则将更多地选择NAND闪存；而同时追求功能和速度的