NAND-FLASH-编程总结

NAND FLASH操作总结目前NAND FLASH主要是SAMSUNG、TOSHIBA两家公司生产。本文我们主要讨论这两家的产品型号。另外我们还会讨论Hitachi的AND Flash，为了内容条理起见，我们将分别讨论SAMSUNG、TOSHIBA的Binary Flash，详细说明：1、各个厂家各个型号Flash的操作时序、以及这些操作在“USB闪存盘控制器”中的影响；2、同一厂家不同型号间的区别、不同厂家之间的区别；然后讨论TOSHIBA的MLC Flash；最后我们要考虑一下AND Flash的情况，并给出一个初步的结论：我们是否需要支持AND Flash。通过这些比较，给出一个较明确的结论：我们的“USB闪存盘控制器”需要支持的Flash操作有那些，时序图如何！SAMSUNG：SAMSUNG推出的NAND Flash主要有以下容量：32Mbit、64Mbit、128Mbit、256Mbit、512Mbit、1Gbit、2Gbit、4Gbit通常，我们把其中的1Gbit、2Gbit、4Gbit叫做“大容量”，其余的则不加强调。32Mbit、64Mbit、128Mbit、256Mbit、512Mbit的Flash 的特性基本相似： Organization- Data Register : (512 + 16) Byte Automatic Program and Erase- Page Program : (512 + 16)Byte- Block Erase : (8K + 256)Byte/(16K + 512)Byte 528-Byte Page Read Operation- Random Access : 10ms(Max.)- Serial Page Access : 50ns(Min.) Fast Write Cycle Time- Program time : 200ms(typ.)- Block Erase time : 2ms(typ.) Flash操作包括基本的七种操作：Read1、Read2、Read ID、Reset、Page Program、Block Erase、Read Status512Mbit的Flash引入了“Plane”和“Copy-Back”的概念，并为此增加了四种新的操作，但却放弃了128Mbit、256Mbit中“Sequential Data Input”操作，这四种操作是：针对“Plane”的Page Program(Dummy)、Multi_Plane Block Erase、Read Multi_Plane Status、针对“Copy-Back”的Copy_Back Program1Gbit、2Gbit、4Gbit（大容量）的操作基本相同，但他们比一般Flash多了Copy-Back、Cache Program的功能： Organization- Data Register : (2K + 64) Byte- Cache Register : (2K + 64) Byte Automatic Program and Erase- Page Program : (2K + 64)Byte- Block Erase : (128K + 4K)Byte Page Read Operation- Random Access : 25ms(Max.)- Serial Page Access : 50ns(Min.) Fast Write Cycle Time- Program time : 300400ms(typ.)- Block Erase time : 2ms(typ.) 大容量Flash操作包括七种基本操作中的六种：Read、Read ID、Reset、Page Program、Block Erase、Read Status，大容量Flash的Page不再分为A、B、C区，所以也不再有Read1、 Read2的区分。另外支持五种高性能操作方式：Read for Copy-Back、Cache Program、Copy-Back Program、Random Data Input、Random Data Output。下面我们就讨论一下各个操作的详细时序。Read1 操作示意图：Read1 操作时序图：普通Flash的Page划分为A、B、C三个区，其中A区是0255Byte，B区是256511Byte ，C区是512527 Byte，Read1操作是针对A、B区的，也就是说Rread1操作只能访问512 Byte的数据区；而16 Byte的冗余区则是通过Read2来完成的。Read1操作可以通过CE/信号来中断读操作。下面是Read2的操作：Read1 操作示意图：Read1 操作时序图：另外，对于读操作还有一种“行连续读”，她可以连续读数据区或者冗余区的数据，其操作示意图如下：Sequential Row Read1 Operation对于Read2操作同样也有“连续读”操作，操作示意图如下：Sequential Row Read2 Operation (GND Input=Fixed Low)PAGE PRGRAM 由于NAND Flash的写入是以PGAE为单位的，并且对于所有写入操作，我们都需要有一个“读状态”操作来判断数据是否正确写入，所以，我们把写入和读状态操作放在一起来进行说明，操作示意图如下：Program & Read Status Operation其操作时序图如下：PAGE PROGRAM OPERATIONBLOCK ERASE在NAND Flash中，擦除是以BLOCK为单位的，我们称之为“块擦除”，她是正确写入数据的前提。因为每次写入时我们都必须保证写入单元为FF，否则将不能把原来为“0”的bit改写为“1”。“块擦除”完成后也需要有一个“读状态”操作来判断擦除是否完成。操作示意图如下：Block Erase Operation操作时序如下：BLOCK ERASE OPERATION(ERASE ONE BLOCK)READ ID 读ID，顾名思义，就是读出该芯片的信息。操作示意图如下：操作时序图如下：MANUFACTURE & DEVICE ID READ OPERATIONRESETRESET操作可以用来中断一些操作，但在一般操作中，我们不建议这么做。RESET操作其实很少用到，所以我们只在下面给出其操作示意图：RESET Operation以上我们对一般FLASH的七种基本操作做了说明。下面就结合各个具体型号对其所具有的特色操作作以总结：由第一部分我们比较的结果可以发现：32Mbit、64Mbit、128Mbit、256Mbit只具有七项基本操作；512Mbit基本具有了“大容量”FLASH的一些特性，算是一种过渡。由于其具有了“Copy Back”特性，和“PLANE”结构，所以他有比以前容量更灵活和强大的操作。1Gbit、2Gbit、4Gbit这些都是“大容量”FLASH，由于PAGE大小的改变，并且新增了CACHE REGISTER，所以，“大容量”FLASH不支持READ1,READ2，只有READ功能，但是可以灵活地读出一段数据。另外，她还增加了五条功能十分强大的操作，这些我们将详细介绍他们。我们下面就总结一下512Mbit FLASH的特性：为了更好地理解她的特性，我们先介绍一下“PLANE”的概念。这款芯片把存储单元分为四个128Mbit的“存储平面”，每个“存储平面”包括1024个BLOCK和528Byte的页寄存器。这样，每个“存储平面”就可以独立地完成类似页操作的功能，其地址映射情况如下：Memory Array Map好了，我们现在就看看跟Plane有关的操作：Multi-Plane Page Program Operation：就是在四个Plane内进行Program操作，这样可省去大量的写入等待时间。因为数据其实是先写入到了各个Plane的寄存器。但是主要由于芯片本身只有四个Plane，所以每次Multi-Plane Page Program Operation不能超过四次。这个操作其实与“大容量”中Cahce操作是相同的。下面给出操作示意图和时序图：Four-Plane Page Program Multi-Plane Page Program OperationMulti-Plane Block Erase Operation：Multi-Plane Block Erase OperationCopy-Back Program Operation：这个操作是一个很有用的操作，她可以明显提高写入速度，尤其是在搬移数据时效果更明显。因为她只要给出两个地址就可以不用去理会了，具体操作硬件自动完成。其操作时序如下：Copy-Back Program Operation：该操作仅限于在同一个Plane内进行。Copy-Back Program Operation下面我们主要讨论有关“大容量”Flash的操作：Page Program Operation Random Data Input：利用这个操作我们就可以把Page操作任意划分。也就是说如果U盘控制器硬件支持的话，我们也可以利用大容量Flash。Cache Program Operation： 同样，这个操作也仅限于在一个Block内进行。以上介绍的是SAMSUNG的NAND Flash操作时序，下面就把其交流参数列表如下：注意：不同系列的FLASH，参数不太相同，我们要根据需要支持的FLASH的型号来确定我们需要满足的时序特性。AC Timing Characteristics for Command / Address / Data InputAC Characteristics for Operation下面我们主要讨论一下TOSHIBA NAND Flash的情况。主要型号有64Mbit、128Mbit、256Mbit、512Mbit、1Gbit、2Gbit。同样我们把1Gbit、2Gbit的叫做“大容量”。由于TOSHIBA，与SAMSUNG的FLASH在性能上基本相同，只是在“大容量”时，TOSHIBA明显落后于SAMSUNG，少了很多特性，例如“Copy Back”操作和“Cache Program”操作。64Mbit、128Mbit、256Mbit、512Mbit的Flash 的特性基本相似： Organization- Data Register : (512 + 16) Byte Automatic Program and Erase- Page Program : (512 + 16)Byte- Block Erase : (8K + 256)Byte/(16K + 512)Byte 528-Byte Page Read Operation- Random Access : 25ms(Max.)- Serial Page Access : 50ns(Min.) Fast Write Cycle Time- Program time : 200ms(typ.)- Block Erase time : 2ms(typ.) Flash操作包括基本的八种操作：Read1、Read2、Read3、Read ID、Reset、Page Program、Block Erase、Read Status这里的Read1、Read2、Read3命令与SAMSUNG的Read1、Read2命令功能是相同的。但她的随机读周期要稍微长一些：25ms(Max.)，其他时间则基本相同。下面我们就每一个操作做详细的介绍！时序示意图：Latch Timing Diagram for Command/Address/Data（example. 64Mbit）Command Input Cycle Timing Diagram（example. 64Mbit）Address Input Cycle Timing Diagram（example. 64Mbit）Data Input Cycle Timing Diagram（example. 64Mbit）Serial Read Cycle Timing Diagram（example. 64Mbit）Status Read Cycle Timing Diagram（example. 64Mbit）上面我们给出了各个操作的时序示意图，下面就各个参数进行说明！AC CHARACTERISTICS AND RECOMMENDED OPERATING CONDITIONS(Ta _ 0 to 70C, VCC _ 2.7 V to 3.6 V)下面就各个操作的具体时序进行讨论：Read Cycle (1) Timing Diagram Read Cycle (1) Timing Diagram: When Interrupted by CERead Cycle (2) Timing DiagramRead Cycle (3) Timing DiagramSequential Read (1) Timing DiagramSequential Read (2) Timing DiagramSequential Read (3) Timing Diagram