Flash原理介紹

硬體特性：

【Flash的硬體實作機制】

Flash全名叫做Flash Memory，屬于非易失性儲存設備(Non-volatile Memory Device)，與此相對應的是易失性儲存設備(Volatile Memory Device)。關于什麼是非易失性/易失性，從名字中就可以看出，非易失性就是不容易丢失，資料存儲在這類裝置中，即使斷電了，也不會丢失，這類裝置，除了Flash，還有其他比較常見的入硬碟，ROM等，與此相對的，易失性就是斷電了，資料就丢失了，比如大家常用的記憶體，不論是以前的SDRAM，DDR SDRAM，還是現在的DDR2，DDR3等，都是斷電後，資料就沒了。

Flash的内部存儲是MOSFET，裡面有個懸浮門(Floating Gate)，是真正存儲資料的單元。

在Flash之前，紫外線可擦除(uv-erasable)的EPROM，就已經采用用Floating Gate存儲資料這一技術了。

圖1.典型的Flash記憶體單元的實體結構

資料在Flash記憶體單元中是以電荷(electrical charge) 形式存儲的。存儲電荷的多少，取決于圖中的外部門（external gate）所被施加的電壓，其控制了是向存儲單元中沖入電荷還是使其釋放電荷。而資料的表示，以所存儲的電荷的電壓是否超過一個特定的門檻值Vth來表示。

【SLC和MLC的實作機制】

Nand Flash按照内部存儲資料單元的電壓的不同層次，也就是單個記憶體單元中，是存儲1位資料，還是多位資料，可以分為SLC和MLC：

1.       SLC，Single Level Cell:

單個存儲單元，隻存儲一位資料，表示成1或0.

就是上面介紹的，對于資料的表示，單個存儲單元中内部所存儲電荷的電壓，和某個特定的門檻值電壓Vth，相比，如果大于此Vth值，就是表示1，反之，小于Vth，就表示0.

對于nand Flash的資料的寫入1，就是控制External Gate去充電，使得存儲的電荷夠多，超過門檻值Vth，就表示1了。而對于寫入0，就是将其放電，電荷減少到小于Vth，就表示0了。

關于為何Nand Flash不能從0變成1，我的了解是，實體上來說，是可以實作每一位的，從0變成1的，但是實際上，對于實際的實體實作，出于效率的考慮，如果對于，每一個存儲單元都能單獨控制，即，0變成1就是，對每一個存儲單元單獨去充電，所需要的硬體實作就很複雜和昂貴，同時，所進行對塊擦除的操作，也就無法實作之前的，一閃而過的速度了，也就失去了Flash的衆多特性了。

2.       MLC，Multi Level Cell：

與SLC相對應，就是單個存儲單元，可以存儲多個位，比如2位，4位等。其實作機制，說起來比較簡單，就是，通過控制内部電荷的多少，分成多個門檻值，通過控制裡面的電荷多少，而達到我們所需要的存儲成不同的資料。比如，假設輸入電壓是Vin＝4V（實際沒有這樣的電壓，此處隻是為了舉例友善），那麼，可以設計出2的2次方＝4個門檻值， 1/4 的Vin＝1V，2/4的Vin＝2V，3/4的Vin＝3V，Vin＝4V，分别表示2位資料00，01，10，11，對于寫入資料，就是充電，通過控制内部的電荷的多少，對應表示不同的資料。

對于讀取，則是通過對應的内部的電流（與Vth成反比），然後通過一系列解碼電路完成讀取，解析出所存儲的資料。這些具體的實體實作，都是有足夠精确的裝置和技術，才能實作精确的資料寫入和讀出的。

單個存儲單元可以存儲2位資料的，稱作2的2次方＝4 Level Cell，而不是2 Level Cell，這點，之前差點搞暈了。。。，同理，對于新出的單個存儲單元可以存儲4位資料的，稱作 2的4次方＝16 Level Cell。

【關于如何識别SLC還是MLC】

Nand Flash設計中，有個指令叫做Read ID，讀取ID，意思是讀取晶片的ID，就像大家的身份證一樣，這裡讀取的ID中，是讀取好幾個位元組，一般最少是4個，新的晶片，支援5個甚至更多，從這些位元組中，可以解析出很多相關的資訊，比如此Nand Flash内部是幾個晶片（chip）所組成的，每個chip包含了幾片（Plane），每一片中的頁大小，塊大小，等等。在這些資訊中，其中有一個，就是識别此flash是SLC還是MLC。下面這個就是最常見的Nand Flash的datasheet中所規定的，第3個位元組，3rd byte，所表示的資訊，其中就有SLC/MLC的識别資訊：

Description	I/O7	I/O6	I/O5 I/O4	I/O3 I/O2	I/O1 I/O0
Internal Chip Number	1 2 4 8	0    0 0    1 1    0 1    1
Cell Type	2 Level Cell 4 Level Cell 8 Level Cell 16 Level Cell	0     0 0     1 1     0 1     1
Number of Simultaneously Programmed Pages	1 2 4 8	0     0 0     1 1     0 1     1
Interleave Program Between multiple chips	Not Support Support	1
Cache Program	Not Support Support	1

表1.Nand Flash 第3個ID的含義

【Nand Flash的實體存儲單元的陣列組織結構】

Nand flash的内部組織結構，此處還是用圖來解釋，比較容易了解：

圖2.Nand Flash實體存儲單元的陣列組織結構

上圖是K9K8G08U0A的datasheet中的描述。

簡單解釋就是:

1.一個nand flash由很多個塊（Block）組成，塊的大小一般是128KB，256KB，512KB，此處是128KB。

2.每個塊裡面又包含了很多頁（page）。每個頁的大小，對于現在常見的nand flash多數是2KB，更新的nand flash是4KB，這類的，頁大小大于2KB的nand flash，被稱作big block，對應的發讀寫指令位址，一共5個周期(cycle)，而老的nand flash，頁大小是256B，512B，這類的nand flash被稱作small block，。位址周期隻有4個。

而塊，也是Nand Flash的擦除操作的基本/最小機關。

3.每一個頁，對應還有一塊區域，叫做空閑區域（spare area）/備援區域（redundant area），而Linux系統中，一般叫做OOB（Out Of Band），這個區域，是最初基于Nand Flash的硬體特性：資料在讀寫時候相對容易錯誤，是以為了保證資料的正确性，必須要有對應的檢測和糾錯機制，此機制被叫做EDC(Error Detection Code)/ECC（Error Code Correction, 或者 Error Checking and Correcting），是以設計了多餘的區域，用于放置資料的校驗值。

頁是Nand Flash的寫入操作的基本/最小的機關。

【Nand Flash資料存儲單元的整體架構】

簡單說就是，常見的nand flash，内部隻有一個chip，每個chip隻有一個plane。

而有些複雜的，容量更大的nand flash，内部有多個chip，每個chip有多個plane。這類的nand flash，往往也有更加進階的功能，比如下面要介紹的Multi Plane Program和Interleave Page Program等。

比如，型号為K9K8G08U0A這個晶片（chip），内部有兩個K9F4G08U0A，每個K9F4G08U0A包含了2個Plane，每個Plane是1Gb，是以K9F4G08U0A的大小是1Gb×2＝2Gb＝256MB，是以，K9K8G08U0A内部有2個K9F4G08U0A，即4個Plane，總大小是4×256MB＝1GB。

而型号是K9WAG08U1A的nand flash，内部包含了2個K9K8G08U0A，是以，總容量是K9K8G08U0A的兩倍＝1GB×2＝2GB，類似地K9NBG08U5A，内部包含了4個K9K8G08U0A，總大小就是4×1GB＝4GB。

【Flash名稱的由來】

Flash的擦除操作是以block塊為機關的，與此相對應的是其他很多儲存設備，是以bit位為最小讀取/寫入的機關，Flash是一次性地擦除整個塊：在發送一個擦除指令後，一次性地将一個block，常見的塊的大小是128KB/256KB。。，全部擦除為1，也就是裡面的内容全部都是0xFF了，由于是一下子就擦除了，相對來說，擦除用的時間很短，可以用一閃而過來形容，是以，叫做Flash Memory。中文有的翻譯為 （快速）閃存。

【Flash相對于普通裝置的特殊性】

1.       上面提到過的，Flash最小操作機關，有些特殊。

一般裝置，比如硬碟/記憶體，讀取和寫入都是以bit位為機關，讀取一個bit的值，将某個值寫入對應的位址的位，都是可以按位操作的。

但是Flash由于實體特性，使得内部存儲的資料，隻能從1變成0，這點，可以從前面的内部實作機制了解到，隻是友善統一充電，不友善單獨的存儲單元去放電，是以才說，隻能從1變成0，也就是釋放電荷。

是以，總結一下Flash的特殊性如下：

普通裝置(硬碟/記憶體等)	Flash
讀取/寫入的叫法	讀取/寫入	讀取/程式設計(Program)①
讀取/寫入的最小機關	Bit/位	Page/頁
擦除(Erase)操作的最小機關	Bit/位	Block/塊 ②
擦除操作的含義	将資料删除/全部寫入0	将整個塊都擦除成全是1，也就是裡面的資料都是0xFF ③
對于寫操作	直接寫即可	在寫資料之前，要先擦除，然後再寫

表2.Flash和普通裝置相比所具有的特殊性

注：

① 之是以将寫操作叫做程式設計，是因為，flash 和之前的EPROM，EEPROM繼承發展而來，而之前的EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)，往裡面寫入資料，就叫做程式設計Program，之是以這麼稱呼，是因為其對資料的寫入，是需要用電去擦除/寫入的，就叫做程式設計。

② 對于目前常見的頁大小是2K/4K的Nand Flash，其塊的大小有128KB/256KB/512KB等。而對于Nor Flash，常見的塊大小有64K/32K等。

③在寫資料之前，要先擦除，内部就都變成0xFF了，然後才能寫入資料，也就是将對應位由1變成0。