深度分析NandFlash—硬件实现机制

最近看了好久的NandFlash，总算是有了一点感觉，但一直没有系统的整理一下，脑子里很乱，今天刚好公司的很多人都出去旅游了，所以工作不是很忙，就在这里好好整理一下吧。首先当然是最基础的了，NandFlash的硬件实现机制。

Flash全名叫做Flash Memory，属于非易失性存储设备(Non-volatile Memory Device)，与此相对应的是易失性存储设备(Volatile Memory Device)。关于什么是非易失性/易失性，从名字中就可以看出，非易失性就是不容易丢失，数据存储在这类设备中，即使断电了，也不会丢失，这类设备，除了Flash，还有其他比较常见的入硬盘，ROM等，与此相对的，易失性就是断电了，数据就丢失了，比如大家常用的内存，不论是以前的SDRAM，DDR SDRAM，还是现在的DDR2，DDR3等，都是断电后，数据就没了。Flash的内部存储是MOSFET，里面有个悬浮门(Floating Gate)，是真正存储数据的单元。在Flash之前，紫外线可擦除(uv-erasable)的EPROM，就已经采用用Floating Gate存储数据这一技术了。

数据在Flash内存单元中是以电荷(electrical charge)形式存储的。存储电荷的多少，取决于图中的外部门（external gate）所被施加的电压，其控制了是向存储单元中冲入电荷还是使其释放电荷。而数据的表示，以所存储的电荷的电压是否超过一个特定的阈值Vth来表示。
【SLC和MLC的实现机制】Nand Flash按照内部存储数据单元的电压的不同层次，也就是单个内存单元中，是存储1位数据，还是多位数据，可以分为SLC和MLC：
1. SLC，Single Level Cell:
单个存储单元，只存储一位数据，表示成1或0.
就是上面介绍的，对于数据的表示，单个存储单元中内部所存储电荷的电压，和某个特定的阈值电压Vth，相比，如果大于此Vth值，就是表示1，反之，小于Vth，就表示0.
对于nand Flash的数据的写入1，就是控制External Gate去充电，使得存储的电荷够多，超过阈值Vth，就表示1了。而对于写入0，就是将其放电，电荷减少到小于Vth，就表示0了。
关于为何Nand Flash不能从0变成1，我的理解是，物理上来说，是可以实现每一位的，从0变成1的，但是实际上，对于实际的物理实现，出于效率的考虑，如果对于，每一个存储单元都能单独控制，即，0变成1就是，对每一个存储单元单独去充电，所需要的硬件实现就很复杂和昂贵，同时，所进行对块擦除的操作，也就无法实现之前的，一闪而过的速度了，也就失去了Flash的众多特性了。
2. MLC，Multi Level Cell：
与SLC相对应，就是单个存储单元，可以存储多个位，比如2位，4位等。其实现机制，说起来比较简单，就是，通过控制内部电荷的多少，分成多个阈值，通过控制里面的电荷多少，而达到我们所需要的存储成不同的数据。比如，假设输入电压是Vin＝4V（实际没有这样的电压，此处只是为了举例方便），那么，可以设计出2的2次方＝4个阈值，1/4的Vin＝1V，2/4的Vin＝2V，3/4的Vin＝3V，Vin＝4V，分别表示2位数据00，01，10，11，对于写入数据，就是充电，通过控制内部的电荷的多少，对应表示不同的数据。
对于读取，则是通过对应的内部的电流（与Vth成反比），然后通过一系列解码电路完成读取，解析出所存储的数据。这些具体的物理实现，都是有足够精确的设备和技术，才能实现精确的数据写入和读出的。单个存储单元可以存储2位数据的，称作2的2次方＝4 Level Cell，而不是2 Level Cell，这点，之前差点搞晕了。。。，同理，对于新出的单个存储单元可以存储4位数据的，称作2的4次方＝16 Level Cell。
【关于如何识别SLC还是MLC】Nand Flash设计中，有个命令叫做Read ID，读取ID，意思是读取芯片的ID，就像大家的身份证一样，这里读取的ID中，是读取好几个字节，一般最少是4个，新的芯片，支持5个甚至更多，从这些字节中，可以解析出很多相关的信息，比如此Nand Flash内部是几个芯片（chip）所组成的，每个chip包含了几片（Plane），每一片中的页大小，块大小，等等。在这些信息中，其中有一个，就是识别此flash是SLC还是MLC。下面这个就是最常见的Nand Flash的datasheet中所规定的，第3个字节，3rd byte，所表示的信息，其中就有SLC/MLC的识别信息。

总结一下：NandFlash也是一种Rom，通俗一点理解就是可以当做硬盘用，也就是说掉电后，上面的数据还在。

NandFlash分为SLC和MLC两种实现机制，主要是根据其单个内存单元所能存放数据的位数，SLC只能存放一位数据，

NandFlash的操作：对其写如数据1，就是一个充电的过程，写入数据0，是一个放电的过程。数据是1还是0主要是根据所设定的阀值电压决定的

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