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复旦大学 硕士学位论文 2bit/cell Multilevel Flash Memory的研究与设计 姓名：周钦 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：程君侠 20060510 摘要 摘要 作为发展最快的非挥发性存储器，F l a s h 存储器有着可比拟D R A M 的随机 存取速度，很高的集成度和在线编程擦除能力，在消费类电子，通信技术等许 多领域都得到广泛的应用。但是，随着市场对存储密度和容量要求越来越高， 传统工艺的l b i t c e l l 的F l a s h 存储器已经不能满足要求。因此，基于M u l t i l e v e l C e l l 的F l a s h 技术将成为F l a s hM e m o r y 产品发展的主流和趋势。 本文采用传统F l a s h 工艺技术( S M I C0 2 2 u r nF l a s h 工艺) ，分析了M L C 技 术可行性并给出了基于M L C 技术的F l a s h 系统架构。根据对系统架构的划分， 对数字模块和模拟模块分别进行了线路级设计。并且根据M L C 技术的要求， 对部分模拟电路作了性能上的改进，比如9 V 正高压泵和R e g u l a t o r 电路和敏感 放大器电路。 此外，本文还提出了一种阶梯脉冲式的分组编程算法。根据不同的待编程 数据和存储单元的状态，系统可以选择不同的编程电压和分组方式，提高了编 程的效率和均一性，有效缩短了编程时间。 与传统l b i t c e l l 的F l a s h 存储器比较，本文设计的M L C 技术F l a s h 在随机存 取速度上相仿，但在电路的性能和编程时间和精度上要明显优于传统l b i t c e l l 的F l a s h 。 关键词：H a s hM e m o r y ，M u l t iL e v e lC e l l ，正负高压电荷泵，阶梯脉冲式分组编 程算法 A B S T R A C T A st h em o s tq u i c k l yd e v e l o p e dk i n do f w h i c hi sp r o v i d e dw i t hs i m i l a rr a n d o ma c c e s s n o n v o l a t i l em e m o r y ，F l a s hm e m o r y ， s p e e da sD R A M ，h i g hi n t e g r a t i o na n d p r o g r a m m i n gc a p a b i l i t yo n s y s t e m ，h a sb e e nw i d e l yu s e di n t h ef i e l d so fc o n s u m e r e l e c t r o n i c s ，c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dS Oo n B u tw i t ht h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t s o fs t o i l n gd e n s i t ya n dc a p a c i t yf r o mm a r k e t i n g ，t r a d i t i o n a ll b i t c e l l F l a s hM e m o r y c a n n o tb es a t i s f a c t o r ya n ym o r e S of l a s hm e m o r yb a s e d o nm u l t i l e v e lc e l lt e c h n i q u e i sb e c o m i n gt h em a i n s t r e a ma n dt r e n do fF l a s hp r o d u c t s T h i sp a p e rp r e s e n t st h es y s t e ma r c h i t e c t u r e o fM L CF l a s hm e m o r ya f t e r a n a ly z i n gt h ef e a s i b i l i t yo fM L Ct e c h n i q u eb a s e do nt h et r a d i t i o n a lF l a s ht e c h n o l o g y ( S M l C0 2 2 u mF l a s hT e c h n o l o g y ) A c c o r d i n gt Os y s t e ma r c h i t e c t u r e ，d i g i t a lm o d u l e s a n da n a l o gc i r c u i t sa r ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l y A n dw i t hm e e t i n go fr e q u i r e m e n t so f M L C ，t h ep e r f o r m a n c eo fp a r t i a la n a l o gc i r c u i t si si m p r o v e d ，s u c h a sp o s i t i v eh i g h v o l t a g ec h a r g ep u m pa n dr e g u l a t o ro f9 V a n ds e n s i n ga m p l i f i e r sc l r c u l t s B e s i d e st h a t ，t h i sp a p e ra l s op r e s e n t san e wg r o u p i n gp r o g r a ma r i t h m e t i c o t s t a i r - s t e pa n dp u l s em e t h o d s A c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tp r o g r a m m i n gd a t aa n dc e l l t h r e s h o l ds t a t e ，t h ep r o g r a ma r i t h m e t i cc a nc h o o s ep r o g r a mp u l s eo fc o r r e s p o n d i n g v o l t a g el e v e la n dg r o u p i n gw a y s ，w h i c hh i g h l yi m p r o v e t h ee f f i c i e n c ya n du n i f o r m i t Y o fp r o g r a ma n ds h o r t e nt h ep r o g r a mt i m ea sw e l l C o m p l a r e dt Ot h et r a d i t i o n a ll b i t c e l lf l a s hm e m o r y ，M L C f l a s hm e m o r yp r e s e n t e d h e r eh a sn e a r l ys i m il a rr a n d o ma c c e s ss p e e d ，b u th i g hp e r f o r m a n c eo fm o r ea c c u r a t e p r o g r a mp u l s ev o l t a g ea n d l e s sp r o g r a mt i m et h a nt r a d i t i o n a lf l a s h K e yW o r d s ：F l a s hM e m o r y ，M u l t i l e v e lC e l lT e c h n i q u e ，P o s i t i v ea n dN e g a t i v eH i g h V o l t a g eC h a r g eP u m p ，G r o u p i n gP r o g r a m A r i t h m e t i co fS t a i r - s t e pa n dP u l s eM e t h o d 论文独创性声明 一 本论文是我个人在导师指导下进存的研究工作及取得的研究成果论文中 除了特别加以标注和致谢的地方外不包含其他人或其它机构已经发表或撰写 过的研究成果其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确 的声明糯了谢意 作者签名：! 亟坠日期：竺! 兰：兰：2 论文使用授权声。明 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的觌定即：学校有权保 留送交论文的复印件。允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容。可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文保密的论文在解密后 遵守此规定 作者签名：导师签名： 第一章 I c 论 第一章概论 1 1F L A S H 和ML C 技术的介绍 长期以来，半导体市场不断增长，即使曾经遇到过低谷，但这样显著的增长 趋势却是可以预见的1 1 。在这个市场中，大约有2 0 的份额来自于半导体存储器， 包括挥发类存储器和非挥发类存储器。其中非挥发类存储器在掉电的情况下，依 然可以保存完整的数据不丢失，比如E E P R O M 和F L A S H 。正因为不挥发类存储 器有这样的特性，从消费 类电子，汽车电子到计算 机和通讯技术等各领域 中，都得到很广泛的应用。 如图1 所示，自从1 9 9 9 年 以来，F L A S H 市场已经超 过S R A M 。据估计，到2 0 0 6 年将会超过2 5 0 亿美元， 接近D R A M 市场大小。 不同的非挥发类存储 器在使用方便性和成本上 入、 i f 。V ， ，l 一，h 、 = = = = = 厂 1 9 9 6 1 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 呻2 0 0 1 舵2 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 7 都有着显著的差距。使用方 图l 半导体存储器市场R o a d m a p 便性意味着在线编程和擦除的可能，成本意味着工艺复杂性以及存储单元密度。 综合考虑这两方面，毫无疑问F L A S H 给出了一种最优的解决方案，因为它有最 小的存储单元尺寸( 每个存储单元只需要一个晶体管) ，又提供了非常方便的在 线编程和擦除方法( 电可擦除超过1 0 万次，具有字节编程和扇区擦除能力) 。 F L A S H 根据不同的标准可以进行不同的分类。根据存取方式，可以分为串 行和并行；根据擦除编程机制，可以分为隧穿效应( F o w l e r - N o r d h e i mT u n n e l i n g ) ， 沟道热电子效应( C h a n n e lH o tE l e c t r o n ) ，热空穴效应( H o tH o l e ) 和源端热电子 效应( S o u r c e s i d eH o tE l e c t r o n ) 。在所有的这些分类中，只有两种类型被认定为 工业标准：N O R 型( 主要用于代码存储) 和N A N D 型( 主要用于数据存储) 。 N O R 型F L A S H 是指c e l l 阵列的排列类似于N O R 的结构。每行c e l l 共享同一条 栅( 称为字线) ，相邻两个c e l l 的漏极通过接触孔相连( 称为位线) 。在这样结构 的F L A S H 中，所有c e l l 的源极都足连在一起的。本文就是要设计一个N O R 型 弱 笛 加 = 2 竹 5 O 一m一-o工-I碍乏 第一章概论 架构的F L A S H 存储器。 1 1 1F L A S H 的概念 每一个F L A S H 单元都是一个浮栅M O S 晶体管，如图2 所示。晶体管中有一 层完全被介电层包围的浮栅( F l o a t i n gG a t e ) 。通过改变浮栅上存储电荷的数目可 以调控这个M O S 管单元的阈值电压V T 。介电层的厚度保证电荷不易挥发，仅 在特定的电压下可以对浮栅的电荷进行注入和抽取，达到编程和擦除的效果。通 常沟道和浮栅间的栅介电层，大约有9 1 0 n m 的氧化层厚度( 当发生F N 电子隧 穿效应被称为隧道氧化层) ；浮栅与控栅间的介电层，大约有1 5 2 0 n m 的氧化层 厚度。如果浮栅不带电荷或者带正电荷表示逻辑“l ，那么浮栅带负电荷就表示 逻辑“O ”。所以在传统F L A S H 存储器中，每一个F L A S H 单元都可以表示1 b i t 信息。 图2F L A S HC e l l 截面图 1 1 2F L A S H 的编程和擦除 本论文采用的擦除和编程是分别通过F N 隧穿效应和热电子效应来实现的。 在S M I C0 2 2 u r n 工艺下，擦除编程电压典型值可参考表l ： 表1F L A S HC e l l 编程擦除电压( S M I C0 2 2 u r n 工艺) E r a s e P r o g r a m R e a d S e l e c tW o r dL i n e 9 5 V + 9 5+ 5 5 V U n s e l e c tW o r dL i n e000 S e l e c tB i tL i n e F l o a t i n g + 4 2 VI V U n s e l e c tB i tL i n e F l o a t i n g 0 I V S o u r c eL i n e+ 6 5 V00 B u l k0 O 0 F L A S Hc e l l 的擦除过程就是使浮栅上积累的负电荷泻放过程。由于衬底和浮 第一幸概论 栅之间的栅氧化层很薄，大约l O n m 左右。因此当控制栅建立起负电压而源极建 立正高压时，在栅氧化层上形成强电场，浮栅到源极产生电子隧穿效应，使得浮 栅上的负电荷被去除。F L A S Hc e l l 就通过这样的隧穿效应完成擦除过程。 F L A S Hc e l l 的编程机制是利用热电子效应。此时源极接地，在漏极和栅极建 立正高压。由于c e l l 的沟道很短，漏极的高电压使得产生沿沟道方向的强沟道电 场，被强沟道电场加速的热电子轰击沟道中的原子产生大量的电子空穴对。由于 此时栅和衬底之间也有垂直沟道方向的强电场，大量的电子在垂直沟道方向上被 电场加速，获得足够的能量后有一定几率可以穿越栅氧化层注入浮栅，从而在浮 栅上存储一定量的负电荷。在这个过程中，衬底产生的大量空穴通过衬底泻放到 地。F L A S H c e l l 就利用这样的热电子效应完成编程的过程。 1 1 3M L C 技术 根据F L A S H 的存储单元的阈值可以区分不同的0 和1 信息，也就是说存储 的数据信息直接取决于浮栅上所存储的电荷。那么如果一个存储单元晶体管的阈 值可通过特别的编程和读出方式分成m 层并且能够加以区分，那么就可以存储 l 0 9 2 mb i t s 的信息。这种将存储单元晶体管阈值分层表示的技术就是M L C 技术 ( M u l t i L e v e lC e l l ) 。因此在同样的工艺条件下，M L C 技术将很大程度上减小每 b i t 存储单元的成本。当然相对于传统的I b i t c e l l 的F L A S H ，M L C 技术提出了更 为严格的要求，比如写入读出方式，编程精度和可靠性等许多问题。 01 5 34 5 C e l lT h r e s h o l dV O | t a 驴i nV o l t s 图3M L C 技术存储单元阈值分布图 本文就是要实现一个每单元可以存储2 b i t 信息的F L A S H 存储器，因此需要 在存储单元的整个可控阈值范围内，分出4 个可区别的阈值分布区域。如图3 所 示，每个区域通过相应的编解码都可表示一个2 b i t 的信息。比如在阈值1 5 V 以 下表示数据l l ，1 5 V 3 V 的范围内表示数据1 0 ，3 V 4 5 V 的范围内表示数据0 l ， 4 5 V 以上表示数据o o 。在这些范围的临界点上分别设置参考阈值，就可以通过 第一章概论 比较这些参考阈值，区分出存储单元到底处于哪个阈值范围内，从而获取存储的 数据信息。 1 2 研究的现实意义 不管是从市场，技术还是应用角度来说，存储器的发展对电子工业始终有着 不可或缺的意义。尤其是F L A S H ，凭借其非挥发性的存储特性和可比拟D R A M 随机存取速度的优点，已经成为发展最快的半导体产品之一。随着半导体技术的 发展，市场对于F L A S H 的容量和成本要求也越来越高。当传统的增加存储密度 的方法到达极限，比如工艺上s c a l i n g d o w n ，M L C 技术无疑将成为一个较好的解 决办法。目前，M L C 技术只被少数国外公司掌握，部分投入量产，比如I n t e l 和 A M D 和三星，在国内M L C 技术的研究还处于空白状态。这些公司掌握的M L C 技术部分还需要特殊的生产工艺，无法在传统的F L A S H 工艺上实现。因此，本 文旨在传统的标准F L A S H 工艺下，设计一个具有M L C 技术的F L A S H 芯片，通 过提高存储密度和容量的方法，进一步降低通用F L A S H 的使用成本，并且打破 国外的技术垄断。 1 3 研究的目标和重点 本文的目标是采用S M I CO 2 2 u r n 标准F L A S H 工艺，实现一个2 b i t c e l l 的N O R 型单电源的F L A S H 存储器，容量为8 M b i t ，电源电压典型值为3 v 。通过对指令 接口，内部编程擦除算法，行列译码电路等数字电路，带隙基准源，正负高压电 荷泵以及敏感放大器等模拟电路的设计，构建一个完整的F L A S H 系统，完全支 持J E D E C 单电源F L A S H 接口标准。 为了提高编程的精度，本文将提出一种新型阶梯脉冲式的分组编程算法，改 进M L C 技术编程的效率，速度和均一性。同时针对这种编程算法，改进编程电 压的产生电路的性能和功耗。 整个电路都可工作在2 7 V 到3 3 V 的电源电压范围内，有较好的电源抑制性 能。并且在某些模块不工作时，状态机控制关闭这些模块，达到减小总体功耗的 自的。 J 第= 审日行性* 析系统架构 第二章可行性分析和系统架构 2 1 可行性分析 1 0 8 一 = 6 暑t 一 2 0 s I I l l c M O D E 。P R O G 1 01 0 01 0 0 01 0 0 0 0 P R O GT I M E ( u s ) 圈4 c e l l 编程和攘除特性测试( S M I C0 2 2 u mF L A S H 工艺) 如图4 所示，根据S M I C 工艺下c e l l 编程和擦除的测试结果分析可知，在1 0 0 u s 的编程时间里闽值的可变化范围是0 6 V 。如果超过1 0 0 u s ，虽然阁值仍然有上升 的空间( 最高可达到9 V ) ，但是编程的时间却是成指数上升，这样在时间的花费 上将是不能接受的。所以在本论文中将存储单元阈值的分布范围确定在。一6 v 之 间，以1 5 V 为间隔均匀的分布每个区域见表2 。 表2 网值分布与数据表示 由于擦除操作有可能使得c e l l 的闽值小于0 ，也就是浮栅上存留正电荷，相 当于耗尽型的M O S 管。这样即使c e l l 没有被选中，也可能处于导通状态，会干 扰其他被选中存储单元数据读出的J 下确性。所以在每次擦除操作中，都必须增加 过擦除校验和回编的步骤，保证每次擦除操作后所有存储单元的闽值分布在 0 V 以上，15 V 以下。 此外，与传统的l b i t c e l l 的F L A S H 相比，M L C 技术需要提供2 b i t c e l l 的信 息，因此在读出方式上也会有较大区别。为了在随机读取速度上能获得一定的优 势，本文将采用的并行读出和译码方式是一种较好的选择。当然这是以牺牲面积 为代价的。以1 6 b i t 位宽为例传统1 b i t c e l l 的F L A S H 需要1 6 个敏感放火器， 圉 第二帝a ，行性分析和系统架构 而2 b i t c e l l 的F L A S H 需要2 4 个敏感放大器。但是相对于存储容量的增大比例和 随机读取速度的优势来看，这样面积的牺牲还是值得的。图5 为并行读出方式的 示意图。并行读取方式是将每个M a t r i x 中的存储单元与参考的存储单元做比 较，通过电流一电压转换后送入比较器，可得到3 b i t 的比较结果。然后通过译码 电路将3 b i t 的比较结果转换成2 b i t 的数据信息，输出到D Q 1 5 ：0 的P A D 上。这 样的并行读出方式显然有最快的随机读取速度。 i i ； 约埘，缸纡船 图5M u l t i l e v e lF l a s h 并行读出方式 相对于传统的1 b i t c e l l 的F l a s h 存储单元，每个M L C 技术的存储单元可表征 数据信息的阈值窗口变小，这就要求更高的编程精度和编程方法。每一次编程的 阈值改变范围不能跨越一个2 b i t 信息所能表征的窗口大小，从而防止过编程现象 的发生，因此需要采用短脉冲的编程方法。根据图4 的测试结果分析，相同的编 程条件下，阈值的改变和编程时间不是成线性的关系，阈值越高，相同编程时间 内阈值改变越少。为了进一步提高编程效率和编程速度，需要改进M L C 技术下 的F l a s h 编程方式。 第一二章口，行性分析和系统架构 2 2 系统架构 A D D R E S S T R A N S I T I O N D E T E C T A 1 1 8 ：0 1 I N S T R U C T I O N I N T E R F A C E P R O G R A M E R A S E A L G O R I T H M A D D R E S S L A T C H C O U N T E R C H A R G EP U M P S R E G U L A T O R R O W D E C O D E D QE 1 5 ：0 E R R O RC O R R E C T C O D E D E C O D E S E N S EP R O G R A M A M P L I F I E R SL O A D 图6M u l t i l e v e lF L A S H 系统架构 在前一节的可行性分析的基础上，给出M u l t i l e v e lF L A S H 的系统架构【2 】，如 图6 所示。下面将根据读操作，编程擦除操作分别介绍各个模块的功能。 以读出过程为例，总线上给出所要读取的地址A 1 8 ：0 】，让芯片使能信号 ( C E # ) 和数据输出使能信号( O 酣) 为0 有效。此时指令接口模块获取该条指 令为读指令，使能地址锁存器，同时将地址总线上的地址A 1 8 ：0 锁存，然后输 出到行列译码器去选择存储单元矩阵( F L A s HM a t r i x ) 中的存储单元。通过并 行方式的敏感放大器模块( S e n s e A m p l i f i e r s ) 和相应的译码电路后输出到D Q 1 5 ：0 】 的P A D 上。用来触发指令接口的时钟信号来自于地址跳变探测模块，每次地址 A l l 5 ：0 】，芯片使能信号C E # 或者B Y T E # 有跳变，都能产生一个窄的负脉冲，触 发指令状念机工作。读出时还需R E A D B O O S T 电路产生5 5 V 的读电压。 如果处于在线编程和擦除过程中，指令接1 3 翻译了指令信息后，同时启动内 第一幸町i 亍性分析和系统架构 部时钟发生器和编程擦除算法状态机， R e g u l a t o r 的正常工作。在擦除操作中， 启动带隙基准源并且控制正负高压泵和 还要控制地址锁存器进行计数，对所需 擦除的扇区地址进行全遍历。一旦编程或者擦除结束，嵌入式编程擦除状态机会 自动退出编程擦除算法，同时停止内部时钟和正负高压泵电路，全芯片进入 S t a n d b y 状态，节省功耗并等待下一条指令输入。 根据各模块独立完成的功能，可将该系统划分成数字和模拟两部分分别进行 设计。数字部分包括指令接口，内部编程和擦除算法，行列译码电路，地址锁存 和遍历电路，地址跳变探测电路，读状态控制单元和信息配置单元模块。这些数 字电路各自完成其控制功能，给出控制信号和信息配置信号，正确完成整个系统 的功能。模拟电路包括带隙基准源，时钟产生电路，正负高压泵和R e g u l a t o r 电 路，R e a dB o o s t 电路，读出敏感放大器电路和负高压传输控制电路。模拟电路主 要决定电路的性能，是设计的重点。 在设计过程中，为了减小仿真的复杂度和时间上的开销，可将某些数字电路 在已实现具体电路的条件下，采用行为级模型代替电路。比如信息配置单元，地 址跳变探测模块和读状态控制单元。 2 3 小结 本章首先讨论了在传统F l a s h 工艺下M L C 技术的可行性。基于对传统F l a s h 工艺下存储单元的测试结果，明确了存储单元的阈值分布范围，以及阈值变化与 编程擦除操作之间的指数关系。根据阈值分布情况，将存储单元可操作的阈值范 围分成相等的4 部分，用于表征不同的2 b i t 信息。根据M L C 技术的数据表征方 法，为了进一步加快读出速度和提高编程精度，提出可采用并行读出方式和短脉 冲编程方式完成。因此在传统F l a s h 工艺下，M L C 技术的F l a s h 是可行的，但必 须在读出方式，编程精度等方面有较大的改进。 在可行性分析的基础上，给出了整个M L C 技术F l a s h 的系统架构，划分了需 要设计的数字和模拟电路模块，并提出了设计重点和设计思路。 第三章数，模块的设计 第三章数字模块的设计 3 1 指令集接口 指令集接口可以兼容J E D E C 单电源F L A S H 标准，允许标准微处理器读写时 序直接进行操作。本文设计的F L A S H 数据容量为8 M b i t ，分为1 9 个扇区，含有 B o o tS e c t o r ，如表3 和表4 所示。根据对信息配置单元模块( C o n t e n tA c c e s s M e m o r y ) 的设置，可以配置B o o tS e c t o r 的起始地址。支持的数据位宽为字和字 节模式( 1 6 b i t 和8 b i t ) ，可通过B Y T E # 来配置。芯片自带R e a d y B u s y # 开漏输出 端口，可以多芯片连接到系统，可供微处理器查询芯片工作状态，因此支持多芯 片在系统工作。 表3 - lo pB o o tB l o c kS e c t o rA d d r e s s A d d r e s sR a n g e ( i nh e x a d e c i m a l ) S e c t o rS i z e ( K b y t e s S e c t o rA 1 8A 1 7A 1 6A 1 5A 1 4A 1 3A 1 2 K w o r d s ) ( x 8 )( x 1 6 ) A d d r e s sR a n g eA d d r e s sR a n g e S A OOOOOXXX6 4 ，3 2 0 0 0 0 0 h O F F F F h0 0 0 0 0 h 0 7 F F F h S A lOO0l XXX6 4 3 21 0 0 0 0 h 1F F F F h0 8 0 0 0 h 0 F F F F h S A 2OOlOXXX6 4 ，3 22 0 0 0 0 h 2 F F F F hl 0 0 0 0 h 1 7 F F F h S A 3O01lXXX6 4 3 23 0 0 0 0 h 3F F F F h1 8 0 0 0 h l F F F F h S A 4Ol0OXXX6 4 ，3 24 0 0 0 0 h 4 F F F F h2 0 0 0 0 h 2 7 F F F h S A 50lOlXXX6 4 ，3 25 0 0 0 0 h 5 F F F F h2 8 0 0 0 h 一2 F F F F h S A 6 O llOX XX6 4 ，3 26 0 0 0 0 h 6 F F F F h3 0 0 0 0 h 3 7 F F F h S A 701l1XXX6 4 ，3 27 0 0 0 0 h 一7 F F F F h3 8 0 0 0 h 3 F F F F h S A 81OOOXXX6 4 3 28 0 0 0 0 h 8 F F F F h4 0 0 0 0 h 4 7 F F F h S A 9lO0lXXX6 4 3 29 0 0 0 0 h 9 F F F F h4 8 0 0 0 h 4 F F F F h S A l OlOlOXXX6 4 3 2A 0 0 0 0 h A F F F F h 5 0 0 0 0 h 5 7 F F F h S A I l l O l1 X XX6 4 3 2B 0 0 0 0 h B F F F F h5 8 0 0 0 h 5 F F F F h S A l 2llO0XXX6 4 3 2C 0 0 0 0 h C F F F F h6 0 0 0 0 h 6 7 F F F h S A l 3llOlXXX6 4 3 2D 0 0 0 0 h D F F H m6 8 0 0 0 h 一6 F F F F h S A l 41llOXXX6 4 3 2E 0 0 0 0 h E F F F F h 7 0 0 0 0 h 一7 7 F F F h S A l 5llllOXX 3 2 1 6F 0 0 0 0 h F 7 F F F h7 8 0 0 0 h 一7 B F F F h S A l 6l ll l I OO8 4F 8 0 0 0 h F 9 F F F h7 C 0 0 0 h 7 C F F F h S A l 7ll1ll0l8 4F A O o o h F BF F F h7 D 0 0 0 h 7 D F F F h S A l 8llllllXI6 8F C 0 0 0 h F F F F H a7 E O o o h 7 F F F F h 表4B o t t o mB o o tB l o c kS e c t o rA d d r e s s A d d r e s sR a n g e ( i nh e x a d e c i m a l ) S e c t o rS i z e ( K b y t e s S e c t o rA 1 8A 1 7A 1 6A 1 5 A 1 4A 1 3A 1 2 K w o r d s )( x 8 )( x 1 6 ) A d d r e s sR a n g eA d d r e s sR a n g e S A OOO00O0X1 6 80 0 0 0 0 h O F F F F h0 0 0 0 0 h 一0 7 F F F h S A lOO0OOl 0 8 41 0 0 0 0 h IF F F F h0 8 0 0 0 h O F F F F h S A 2O0O0O l 8 42 0 0 0 0 1 1 2 F F F F h 1 0 0 0 0 h l7 F F F h 第三章数，模块的设汁 S A 3 O 0O0lXX3 2 1 63 0 0 0 0 h 3 F F F F h1 8 0 0 0 h 1 F F F F h S A 4O 0O lXXX6 4 3 24 0 0 0 0 h 一4 F F F F h 2 0 0 0 0 h 2 7 F F F h S A 5OOIOXXX6 4 ，3 25 0 0 0 0 h 5F F F F h 2 8 0 0 0 h 2 F F F F h S A 6O0l1XXX6 4 ，3 26 0 0 0 0 h 6 F F F F h 3 0 0 0 0 h 一3 7 F F F h S A 70l00XXX6 4 3 27 0 0 0 0 h 7 F F H ：h3 8 0 0 0 h 3 F F F F h S A 8OlOlXXX6 4 ，3 28 0 0 0 0 h 8 F F F F h4 0 0 0 0 h 4 7 F F F h S A 9OllOXXX6 4 3 29 0 0 0 0 h 9 F F F F h4 8 0 0 0 h 一4 F F F F h S A l 0 O lllXXX6 4 ，3 2A 0 0 0 0 h A F F F F h5 0 0 0 0 h 一5 7 F F F h S A l l l 0O0XXX6 4 3 2B O O O O h B F F F F h5 8 0 0 0 h 一5 F F F F h S A l 2l 0OlXXX 6 “3 2 C 0 0 0 0 h C F F F F h6 0 0 0 0 h 6 7 只：F h S A l 3l 0l 0XXX6 4 ，3 2D O O O O h D F F F F h 6 8 0 0 0 h 一6 F F F F h S A l 4lOllXXX6 4 3 2E O O O O h E F F F F h 7 0 0 0 0 h 一7 7 F F F h S A l 5llOOXXX6 “3 2F 0 0 0 0 h F 7 F F F h7 8 0 0 0 h 一7 B F F F h S A l 6llO1XXX6 4 3 2F 8 0 0 0 h F 9 F F F h7 C 0 0 0 h 一7 C F F F h S A l 7lllOXXX6 4 3 2F A 0 0 0 h F B F F F h7 D O O O h 7 D F F F h S A l 8llllXXX6 4 3 2F C o o O h F F F F F h7 E O O O h 7 F F F F h 特殊指令可配置内部的信息配置单元( C o n t e n tA c c e s sM e m o r y ) ，对生产厂 商和器件类型进行配置，还可设置读出速度，内部时钟频率，编程脉冲宽度等， 有助于提高产品的多样性和良品率。同时支持D e s i g nf o rT e s t ，通过一定的指令 配置从D Q O 可以输出带隙基准源的参考电压值，可供产品测试。用户指令集可 参见表5 所示。 表5 用户指令集定义 o B u sC y c l e s C o m m a n d S e q u e n c e 弓 F i r s tS e c o n dT h i r dF o u r t hF i“ t hS i x t h 、 U A d d rD a t aA d d rD a t aA d d rD a t aA d d rD a t aA d d rD a I aA d d rD a t a R e a dlR AR D R e s e tlX XF O H M a n t i W o r d 4 5 5 5 A A 2 A A5 55 5 59 0X 0 0O l I D B y t e A A A 5 5 5 A A A D e v i c eW o r d45 5 5A A2 A A5 55 5 59 0X O l2 2 D A I D T o pB y t e A A A5 5 5A A AX 0 2D A U D e v i c eW o r d45 5 5A A2 A A5 55 5 59 0X 0 l2 2 5 B 卫 I D B y t e A A A5 5 5A A AX 0 25 B o B o t t o m o j S e c t o r W o r d 4 5 5 5 A A 2 A A 5 5 5 5 59 0( S A ) X X o o P r o t e c tX 0 2 V e r i f y X X 0 l B y t e A A A5 5 5A A A ( S A ) 0 0 X 0 4 0 l P r o g r a m W o r d45 5 5A A2 A A5 55 5 5A 0P AP D B y t e A A A5 5 5 A A A U n l o c k b r d35 5 5 A A 2 A A 5 55 5 52 0 B y p a s sB y t e A A A 5 5 5 A A A U n l o c kB y p a s s2X X XA OP AP D P r o g r a m U n l o c kB y p a s sR e s e t2X X X9 0 X X X 0 0 C h i pE r a s e W o r d65 5 5A A2 A A5 55 5 58 05 5 5A A2 A A5 5 5 5 5 I O B y t e A A A5 5 5A A AA A A5 5 5A A A S e c t o rE r a s eW o r d65 5 5A A2 A A5 55 5 58 05 5 5A A2 A A5 5S A3 0 B y t e A A A5 5 5A A A A A A 5 5 5 E r a s eS u s p e n d IX X XB O E r a s eR e s u m elX X X3 0 f ) 第三章数。一模块的设汁 指令集接口采用A T D 信号来触发，设置指令状态寄存器I n s t r _ s t a t e 【3 ：O 】和 I n s t r _ n e x t 【3 ：0 】，分别表示现在所处的指令状态和下个指令状态。根据表5 的 用户指令集定义，触发指令状态，控制内部各模块间的协同工作，完成F L A S H 存取的各种功能。 3 2 内部擦除编程状态机 F L A S H 具有在线编程能力，在获得编程或者擦除指令后，通过指令接口将 直接启动内部时钟信号和内部嵌入式编程擦除算法，控制完成整个编程或者擦除 过程。完成编程或者擦除指令后将直接退出内部编程擦除算法，并反馈信息给指 令接口，同时停止内部时钟，回到读出状态或者S t a n d b y 状态。 3 2 1 嵌入式编程流程 如果接受到普通编程指令或者U n l o c kB y p a s s 的编程指令，就可直接启用嵌 入式编程算法。如图7 所示。整个编程的流程中，首先进行编程校验。此时启动 9 V 的正高压泵达到5 5 V 作为F L A S Hc e l l 的校验电压，与R e f e r e n c eC e l l ( R D H ， R D M ，R D L ) 作比较。先判断是否发生编程错误。比如需要对某一个c e l l 写入 0 1 的数据，但校验时发现该c e l l 已经存储了0 0 的数据，这时无法通过编程操作 完成数据改变，状态机给出编程错误标志，直接退出编程流程。如果校验时没有 发现编程错误发生，那么判断是否已经完成编程，也就是读出的数据是否等于需 要写入的数据。如果是，那么编程完毕，同样退出编程状态；如果否，那么启动 编程脉冲，控制9 V 正高压泵上升到编程需要的正高压，同时使6 V 正高压泵产 生4 2 V 电压加到所需编程c e l l 的漏极，开始编程。在整个过程中所有c e l l 的源 极都为0 V 。经过一定脉宽的编程脉冲后，重新开始编程校验，直到完成编程， 或者发生错误退出编程状态为止。 第三章数j ：模块的设汁 图7 传统嵌入式编程流程 由于编程c e l l 所需的源漏电流很大，而6 V 泵的负载能力有限，能负载2 - 3 m A 的电流，仍然不能支持8 个c e l l 同时编程。出于对编程时平均功耗以及6 V 泵负 载能力的考虑，需要将等待编程的c e l l 进行分组，充分利用6 V 泵现有的负载能 力进行操作。根据阈值将需要编程的c e l l 分成l l ，1 0 ，0 1 和O O 四组，不需要编 程的c e l l ( 比如0 0 分组或者写入数据与c e l l 原始数据相同) 退出编程分组。首 先对1 1 分组进行编程，将所有1 1 分组中的c e l l 都编程到数据1 0 所表示的阈值 范围中。该编程步骤完成后，1 1 分组中所有存储单元都归入1 0 分组，同时校验 是否有c e l l 已经完成编程操作。比如某c e l l 原来为l l 状态，需要写入数据1 0 。 如果l O 分组中的有c e l l 编程结束，那么该c e l l 退出编程1 0 分组，然后将l O 分 组中的待编程c e l l 都编到数据O l 所表示的阈值范围内。编程校验过程与前面步 骤相同，直到最后所有c e l l 都完成数据写入操作或者发生错误退出编程状态。图 8 为具体的分组编程的例子，假设需要写入数据B 0 4 1 H 。在每个分阶段的分组编 程步骤中，同时最多可编程4 个c e l l ，完成该阶段的编程c e l l 退出该阶段的编程 队列。由于同一分组的存储单元都可经过同样的编程过程，所以分组编程可以最 大程度上保证编程操作的均一性。 第三章数：，模块的设汁 需要写入的数据 重 二三 至口二亘工至 亟 二亘工卫 C e l l 的原始值 1 1 分组编程 1 0 分组编程 0 1 分组编程 编程结果 1 11 10 1111 10 0l11 0 1， Jl土 1 01 10 1