NAND Flash系列之NAND与NOR Flash

Nand Flash与Nor Flash

起始

1988年，Intel于首先开发出NOR flash技术，一经推出很快蚕食掉EPROM和EEPROM的市场。因此可实现程序在片内执行。
1989年，东芝公司发表了NAND flash结构，强调降低每比特的成本，且容量可以很高。
所以：NAND闪存采用非常小的单元尺寸设计，可实现低位成本的存储数据，主要用作高密度数据存储介质，用于消费类设备，如数码相机和USB固态磁盘驱动器。
NOR Flash通常用于便携式电子设备（如手机和PDA）中的代码存储和直接执行。
而且：NOR和NAND闪存系统都是电可擦除解决方案，可以多次写入和擦除数据，但在关闭电源时不会丢失存储的数据。

内部结构

在NOR Flash的内部电路配置中，各个存储器单元并联连接，这使得器件能够实现随机访问。
此配置可实现随机访问微处理器指令所需的短读取时间。
NOR Flash是低密度，高速读取应用的理想选择，这些应用大多是只读的，通常称为代码存储应用。
NAND闪存是作为高密度数据存储优化的替代方案而开发的，在权衡中放弃随机访问能力以实现更小的单元尺寸，从而转换为更小的芯片尺寸和更低的每比特成本。
这是通过创建一系列连接成串的八个存储晶体管来实现的。
NAND闪存系统利用NAND闪存架构的高存储密度和更小的单元尺寸，通过编程数据块实现更快的写入和擦除。
NAND闪存是低成本，高密度，高速编程/擦除应用的理想选择，通常被称为数据存储应用。

由于其本身两者结构差异以及半导体行业现有发展来看，对于任何给定的光刻工艺，NAND闪存阵列的密度将始终高于NOR闪存。理论上，对于相同的工艺技术和芯片尺寸，最高密度的NAND将至少是NOR密度的两倍。

NAND 与 NOR Flash的封装引脚

NAND、NOR封装都包含TSOP封装与BGA封装，下面以TSOP48举例：
Nand Flash
特点：有同步与分同步之分；也有ONFI与TOGGLE之分，这些将在以后文章介绍。
注意NAND的数据和地址信号是公用的数据总线（一般是8条或者16条）；其余为命令线以及控制线，具体如下：
ALE：地址锁存信号线；
CE#：片选线，低电平有效；
CLE：命令所存信号线；
DQX：数据输入输出；
RE#：读信号使能；
WE#：写信号使能；
WP#：写保护，保护数据；
R/B#：Read、Busy输出指示，OD门；
其余为电源和地引脚。

NOR Flash
特点：无同步与异步之分，该器件的数据和地址分开，使用不同的总线传输，各司其职，所以数据传输速度比较快。具体引脚如下：
A[MAX:0]：地址传输线；
CE#：芯片片选；
OE#：输出使能；
WE#：写使能；
VPP/WP#：编程电压/写保护‘
BYTE#：位选择/字选择，8位或者16位总线选择；
RST#：复位信号；
DQx：数据信号总线；
RY/BY#：准备/繁忙指示信号，OD门；
其余为Vcc和GND。

并列比较

区别/差异

如上图，两者区别主要在于以下几点：

项目	待机功耗	每bit花费	文件存储	程序运行	容量	写速度	读取速度	工作功耗
NAND	大	低	适合	不行	大	快	慢	小
NOR	小	高	不适合	可以	小	慢	快	大

如何选取

NAND闪存的特点是：高密度，中读取速度，高写入速度，高擦除速度，以及间接或I / O类访问。NOR闪存的特点是密度低，读取速度快，写入速度慢，擦除速度慢，以及随机访问接口。

对于需要从Flash引导的系统，从Flash执行代码，或者如果读取延迟是一个问题，NOR Flash可能就是答案。但是，对于存储应用，NAND Flash的更高密度以及高编程和擦除速度使其成为最佳选择。虽然高密度闪存器件的高编程速度的好处是显而易见的，但擦除性能同样重要，尽管不太明显。与磁存储系统驱动器（硬盘驱动器和磁带）不同，闪存需要一个单独的擦除步骤，以便在器件编程之前将所有位恢复为“1”状态。

功率是许多应用的另一个重要问题。对于任何写密集型应用，NAND闪存将消耗更少的功率。虽然NOR闪存和NAND闪存之间的瞬时功率（电压电流）数字似乎相当，但总能量将是NOR闪存显着更高，因为能量=功率*时间。
以下为关键参数对比：

所以，当系统 (如相机电话) 同时需要代码执行和大容量数据存储时, 设计人员可能需要考虑替代方案和权衡, 例如使用这两种类型的闪存, 可能与伪静态 RAM (PSRAM) 结合使用, 或将 NAND 与低功耗 DRAM 结合使用, 以便在其中运行操作代码。最好选择的闪存将是以最低的成本提供所需的性能和密度的闪存。

硬件电路设计

NAND Flash

在NAND Flash器件处：
1、电源设计，器件包含两种电压，接口电压V_ccq和内部存储器电压V_cc，请记住接口电压V_ccq小于等于内部存储器电压V_cc。一般接口电压有3.3、1.8和1.2 V，但是常见的是3.3 V。电源引脚放置10 uF和100 nF电容用于滤波。
2、R/B引脚需要上接上拉电阻，因为该引脚为OD（漏极开路）门结构，用于指示空闲和繁忙状态。
3、CE片选引脚，该引脚为片选信号，上电时可以IO口控制，但是IO口可能是高、低、高阻，很难控制，所以我们要给一个确定的点平，高电平，不选中。（CE低电平有效）。
4、WP引脚，写保护引脚，该引脚也需要一个稳定的上电电平。所以该引脚我们上拉就是不写保护；下拉就是写保护状态。（WP低电平有效）。
5、Layout时，电源滤波电容靠近NAND Flash电源引脚放置。
6、将NAND Flash尽量靠近CPU放置，这样可以减小走线总线电容，提高信号完整性。
7、对于数据口，有些人建议走线要等常处理，但是实际上很多情况下都是非等长的处理，在我做的项目里影响不是很大，这个看产品类型以及厂商规范。

8、因为ONFO与TOGGLE规范有些差异，所以需要在设计时预留兼容两家设计的器件，我使用的主要是镁光的，所以还好，主要是东芝的不太一样。

在CPU NAND Flash接口处
1、在CPU侧的NAND Flash接口，一般都是eMMC与NAND接口共存通用的，因为eMMC等于控制器+Nand Flash；所以需要看清楚，确定那些信号指示什么，这个主要看控制器原厂的设计。
2、CPU支持的NAND Flash容量大小，块的数量，页的数量是有一定限制的，不可能无限大，就像手机可以安装的SD卡，有容量限制一样。所以在实际开发时需要注意。
3、某些CPU需要额外的配置，在上电时获取存储器的相关信息；比如：容量大小、块的数量、页的数量，这其实就是很常见的一种硬件识别软件做法，具体实现是外部IO口的电平状态来确定。

NOR Flash

NOR Flash的电路设计基本上与NAND Flash一致，仅仅是NOR的数据和地址分开了，不用每次需要传地址再传数据了。

SLC、MLC、TLC

SLC：
SLC = Single-Level Cell ，即1bit/cell，速度快寿命长，价格超贵（约MLC 3倍以上的价格），约10万次擦写寿命；
MLC:
MLC = Multi-Level Cell，即2bit/cell，速度一般寿命一般，价格一般，约3000—10000次擦写寿命。
TLC：
TLC = Trinary-Level Cell，即3bit/cell，也有Flash厂家叫8LC，速度慢寿命短，价格便宜，约500次擦写寿命，目前还没有厂家能做到1000次。
QLC
QLC是东芝最先实现商用的，但是目前信息很少，故不作详细介绍。

以上区分在固态硬盘SSD里面很常见，人们在选择时总会不好确定是选择那种的；其实上面已经很明确了，速度、寿命、容量、性价比时需要考虑的；但是SSD不仅取决于存储类型，也取决于接口控制芯片的性能，就像同样大的火车，火车头不行，那么大的货箱没用。最重要的是，电子产品的保修期很短，你能确定在保修期内上面的四种存储都会坏掉吗？显然是值得考量的。

Reference

[1].东芝存储
[2].NAND 百科
[3].三星电子