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ICMAX系统阐明eMMC原理之Flash Memory篇

日期: 2019-06-24
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在之前宏旺半导体写了很多关于eMMC的文章,有粉丝反应不够系统,这次呢,宏旺半导体参考了网络上发表的文章,和大家系统地分享一下和eMMC有关的 Flash Memory.

eMMC 是 Flash Memory 的一类,在详细介绍 eMMC 之前,先简单介绍一下 Flash Memory。Flash Memory 是一种非易失性的存储器。在嵌入式系统中通常用于存放系统、应用和数据等。在 PC 系统中,则主要用在固态硬盘以及主板 BIOS 中。另外,绝大部分的 U 盘、SDCard 等移动存储设备也都是使用 Flash Memory 作为存储介质。

1. Flash Memory 的主要特性

与传统的硬盘存储器相比,ICMAX宏旺半导体发现Flash Memory 具有质量轻、能耗低、体积小、抗震能力强等的优点,但也有不少局限性,主要如下:

需要先擦除再写入
Flash Memory 写入数据时有一定的限制。它只能将当前为 1 的比特改写为 0,而无法将已经为 0 的比特改写为 1,只有在擦除的操作中,才能把整块的比特改写为 1。

块擦除次数有限
Flash Memory
的每个数据块都有擦除次数的限制(十万到百万次不等),擦写超过一定次数后,该数据块将无法可靠存储数据,成为坏块。
为了最大化的延长 Flash Memory 的寿命,在软件上需要做擦写均衡(Wear Leveling),通过分散写入、动态映射等手段均衡使用各个数据块。同时,软件还需要进行坏块管理(Bad Block Management,BBM),标识坏块,不让坏块参与数据存储。(注:除了擦写导致的坏块外,Flash Memory 在生产过程也会产生坏块,即固有坏块。)

读写干扰
由于硬件实现上的物理特性,Flash Memory 在进行读写操作时,有可能会导致邻近的其他比特发生位翻转,导致数据异常。这种异常可以通过重新擦除来恢复。Flash Memory 应用中通常会使用 ECC 等算法进行错误检测和数据修正。

电荷泄漏
存储在 Flash Memory 存储单元的电荷,如果长期没有使用,会发生电荷泄漏,导致数据错误,不过这个时间比较长,一般十年左右。此种异常是非永久性的,重新擦除可以恢复。

2. NOR Flash 和 NAND Flash

ICMAX宏旺半导体了解到根据硬件上存储原理的不同,Flash Memory 主要可以分为 NOR Flash 和 NAND Flash 两类。 主要的差异如下所示:

·         NAND Flash 读取速度与 NOR Flash 相近,根据接口的不同有所差异;

·         NAND Flash 的写入速度比 NOR Flash 快很多;

·         NAND Flash 的擦除速度比 NOR Flash 快很多;

·         NAND Flash 最大擦次数比 NOR Flash 多;

·         NOR Flash 支持片上执行,可以在上面直接运行代码;

·         NOR Flash 软件驱动比 NAND Flash 简单;

·         NOR Flash 可以随机按字节读取数据,NAND Flash 需要按块进行读取。

·         大容量下 NAND Flash 比 NOR Flash 成本要低很多,体积也更小;

(注:NOR Flash 和 NAND Flash 的擦除都是按块进行的,执行一个擦除或者写入操作时,NOR Flash 大约需要 5s,而 NAND Flash 通常不超过 4ms。)

2.1 NOR Flash

ICMAX宏旺半导体发现根据NOR Flash与 CPU 端接口的不同,可以分为 Parallel NOR Flash 和 Serial NOR Flash 两类。
Parallel NOR Flash 可以接入到 Host 的 SRAM/DRAM Controller 上,所存储的内容可以直接映射到 CPU 地址空间,不需要拷贝到 RAM 中即可被 CPU 访问,因而支持片上执行。Serial NOR Flash 的成本比 Parallel NOR Flash 低,主要通过 SPI 接口与 Host 连接。

ICMAX系统阐明eMMC原理之Flash Memory篇

图片: Parallel NOR Flash 与 Serial NOR Flash

 

鉴于 NOR Flash 擦写速度慢,成本高等特性,NOR Flash 主要应用于小容量、内容更新少的场景,例如 PC 主板 BIOS、路由器系统存储等。

更多 NOR Flash 的相关细节,请联系ICMAX宏旺半导体。

2.2 NAND Flash

NAND Flash 需要通过专门的 NFI(NAND Flash Interface)与 Host 端进行通信,如下图所示:

ICMAX系统阐明eMMC原理之Flash Memory篇

图片:NAND Flash Interface

 

NAND Flash 根据每个存储单元内存储比特个数的不同,可以分为 SLC(Single-Level Cell)、MLC(Multi-Level Cell)、 TLC(Triple-Level Cell) 和QLC(Quad-Level Cell)四类。其中,在一个存储单元中,SLC 可以存储 1 个比特,MLC 可以存储 2 个比特,TLC 则可以存储 3 个比特,SLC 可以存储 4个比特。

 ICMAX系统阐明eMMC原理之Flash Memory篇

图片: SLC、MLC、TLC和QLC

 

ICMAX宏旺半导体发现NAND Flash 的单个存储单元存储的比特位越多,读写性能会越差,寿命也越短,但是成本会更低。上图中,给出了特定工艺和技术水平下的成本和寿命数据。

 


SLC

MLC

TLC

制造成本

30-35 美元 / 32GB

17 美元 / 32GB

9-12 美元 / 32GB

擦写次数

10万次或更高

1万次或更高

5000次甚至更高

存储单元

1 bit / cell

2 bits / cell

3 bits / cell

(注:以上数据来源于互联网,仅供参考)

 

相比于 NOR Flash,NAND Flash 写入性能好,大容量下成本低。目前,绝大部分手机和平板等移动设备中所使用的 eMMC 内部的 Flash Memory 都属于 NAND Flash。PC 中的固态硬盘中也是使用 NAND Flash。

更多 NAND Flash 的相关细节,请联系ICMAX宏旺半导体。

3. Raw Flash 和 Managed Flash

由于 Flash Memory 存在按块擦写、擦写次数的限制、读写干扰、电荷泄露等的局限,为了最大程度的发挥 Flash Memory 的价值,通常需要有一个特殊的软件层次,实现坏块管理、擦写均衡、ECC、垃圾回收等的功能,这一个软件层次称为 FTL(Flash Translation Layer)。

在具体实现中,根据 FTL 所在的位置的不同,可以把 Flash Memory 分为 Raw Flash 和 Managed Flash 两类。

 

今天先分享到这,宏旺半导体ICMAX后期会给大家带来更多与存储行业相关的文章,有什么不明白的欢迎留言私信,一定要记得关注宏旺半导体哦!


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