【电子元器件】Nand Flash基础介绍

本文章是笔者理论结合实践进行整理的备忘笔记。希望在帮助自己温习避免遗忘的同时，也能帮助其他需要参考的朋友。如有谬误，欢迎大家进行指正。

一、什么是Nand Flash

Flash主要分两种，Nand Flash和Nor flash。

Nor的成本相对高，容量相对小，比如常见的只有128KB，256KB，1MB，2MB等等，优点是读写数据时候，不容易出错。所以在应用领域方面，Nor Flash比较适合应用于存储少量的代码。

Nand flash成本相对低，缺点是使用中数据读写容易出错，所以一般都需要有对应的软件或者硬件的数据校验算法，统称为ECC。但优点是，相对来说容量比较大，现在常见的Nand Flash都是1GB，2GB，更大的8GB的都有了，相对来说，价格便宜，因此适合用来存储大量的数据。其在嵌入式系统中的作用，相当于PC上的硬盘，用于存储大量数据。

所以，一个常见的应用组合就是，用小容量的Nor Flash存储启动代码，比如uboot，用大容量的Nand Flash做整个系统和用户数据的存储。而一般的嵌入式平台的启动流程也就是，系统从装有启动代码的Nor Flash启动后，初始化对应的硬件，包括SDRAM等，然后将Nand Flash上的Linux 内核读取到内存中，做好该做的事情后，就跳转到SDRAM中去执行内核了，然后内核解压后，开始运行，在Linux内核启动最后，去Nand Flash上，挂载根文件，比如jffs2，yaffs2等，挂载完成，运行初始化脚本，启动consle交互，才允许你通过console和内核交互。至此完成整个系统启动过程。

而Nor Flash就分别存放的是Uboot，Nand Flash存放的是Linux的内核镜像和根文件系统，以及余下的空间分成一个数据区。

二、Nand Flash数据存储单元整体架构

常见的Nand Flash，内部只有一个chip，每个chip只有一个plane。而有些复杂的，容量更大的Nand Flash，内部有多个chip，每个chip有多个plane。这类的Nand Flash，往往也有更加高级的功能，比如下面要介绍的Multi Plane Program和Interleave Page Program等。概念上，由大到小来说，就是：Nand Flash ⇒ Chip ⇒ Plane ⇒ Block ⇒ Page ⇒ oob

比如，型号为K9K8G08U0A这块Nand Flash（有时候也被称为此块chip芯片），其内部有两个K9F4G08U0A的chip，chip#1和chip#2，每个K9F4G08U0A的chip包含了2个Plane，每个Plane是2Gbbit，所以K9F4G08U0A的大小是2Gb×2 = 4Gb = 512MB，因此，K9K8G08U0A内部有2个K9F4G08U0A，或者说4个Plane，总大小是×256MB＝1GB。

用公式表示如下：

K9K8G08U0A(这块Nand Flash)

= 2 × K9F4G08U0A(K9F4G08U0A是chip，1 K9F4G08U0A = 2 Plane)

= 2 × 2个Plane

= 4 Plane(1 Plane = 2048 Block)

= 4 × 2048个Block(1 Block = 64 Page)

= 4 × 2048 × 64Page(1 Page = 2KB)

= 4 × 2048 × 64Page × 2KB

= 4 × 2048 × 128KB(1 Block = 128KB)

= 4 × 256MB(1 Plane = 2Gb = 256MB)

= 2 × 512MB(1 K9F4G08U0A = 4Gb = 512MB)

= 1GB(1 K9K8G08U0A = 1GB)

1. Block块

一个Nand Flash 由很多个块（Block）组成，块的大小一般是128KB，256KB，512KB，此处是128KB。块Block，是Nand Flash的擦除操作的基本/最小单位。

2.  Page页

每个块里面又包含了很多页（page）。每个页的大小，对于现在常见的Nand Flash多数是2KB，最新的Nand Flash的是4KB、8KB等，这类的页大小大于2KB的Nand Flash，被称作big block的Nand Flash，对应的发读写命令地址，一共5个周期(cycle)，而老的Nand Flash，页大小是256B，512B，这类的Nand Flash被称作small block，地址周期只有4个。页Page，是读写操作的基本单位。不过，也有例外的是，有些Nand Flash支持subpage（1/2页或1/4页）子页的读写操作，不过一般很少见。

3. oob / Redundant Area / Spare Area

每一个页，对应还有一块区域，叫做空闲区域（spare area）/冗余区域（redundant area），而Linux系统中，一般叫做OOB（Out Of Band），这个区域，是最初基于Nand Flash的硬件特性：数据在读写时候相对容易错误，所以为了保证数据的正确性，必须要有对应的检测和纠错机制，此机制被叫做EDC(Error Detection Code)/ECC（Error Code Correction, 或者 Error Checking and Correcting），所以设计了多余的区域，用于放置数据的校验值。OOB的读写操作，一般是随着页的操作一起完成的，即读写页的时候，对应地就读写了OOB。

关于OOB具体用途，总结起来有：

• 标记是否是坏快

• 存储ECC数据

• 存储一些和文件系统相关的数据。如jffs2就会用到这些空间存储一些特定信息，而yaffs2文件系统，会在oob中，存放很多和自己文件系统相关的信息。

三、 Nand Flash的位反转特性

Nand Flash的位反转，也叫做位翻转。Nand Flash由于本身硬件的内在特性，会导致（极其）偶尔的出现位反转的现象。所谓的位反转，指的是原先Nand Flash中的某个位发生变化了，即要么从1变成0，要么从0变成1。

1. Nand Flash位反转的原因

Nand Flash的位反转现象，主要是由以下一些原因/效应所导致：

• 漂移效应（Drifting Effects）

  漂移效应指的是，Nand Flash中cell的电压值，慢慢地变了，变的和原始值不一样了。

• 编程干扰所产生的错误（Program-Disturb Errors）

  此现象有时候也叫做，过度编程效应（over-program effect）。对于某个页面的编程操作，即写操作，引起非相关的其他的页面的某个位跳变了。

• 读操作干扰产生的错误（Read-Disturb Errors）

  此效应是，对一个页进行数据读取操作，却使得对应的某个位的数据，产生了永久性的变化，即Nand Flash上的该位的值变了。

2. Nand Flash位反转的影响

如果你读取的数据正好是属于某个重要的文件中的数据，比如系统的配置文件等，那么此时错了一位，都会导致系统出现异常，问题相对会很严重。而如果此数据属于音视频流中的数据，那么此时即使错了一位，对整个音视频的播放产生的影响也很小，所以问题也不大。

3. Nand Flash位反转的类型和解决办法

• 一种是nand flash物理上的数据存储的单元上的数据，是正确的，只是在读取此数据出来的数据中的某位，发生变化，出现了位反转，即读取出来的数据中，某位错了，本来是0变成1，或者本来是1变成0了。此处可以成为软件上位反转。此数据位的错误，当然可以通过一定的校验算法检测并纠正。
• 另外一种，就是nand flash中的物理存储单元中，对应的某个位，物理上发生了变化，原来是1的，变成了0，或原来是0的，变成了1，发生了物理上的位的数据变化。此处可以成为硬件上的位反转。此错误，由于是物理上发生的，虽然读取出来的数据的错误，可以通过软件或硬件去检测并纠正过来，但是物理上真正发生的位的变化，则没办法改变了。不过个人理解，好像也是可以通过擦除Erase整个数据块Block的方式去擦除此错误，不过在之后的Nand Flash的使用过程中，估计此位还是很可能继续发生同样的硬件的位反转的错误。

以上两种类型的位反转，其实对于从Nand Flash读取出来的数据来说，解决其中的错误的位的方法，都是一样的，即通过一定的校验算法，常称为ECC，去检测出来，或检测并纠正错误。如果只是单独检测错误，那么如果发现数据有误，那么再重新读取一次即可。实际中更多的做法是，ECC校验发现有错误，会有对应的算法去找出哪位错误并且纠正过来。其中对错误的检测和纠正，具体的实现方式，有软件算法，也有硬件实现，即硬件Nand Flash的控制器controller本身包含对应的硬件模块以实现数据的校验和纠错的。

四、Nand Flash引脚(Pin)的说明