1. 硬件特性：
【Flash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。
图1.典型的Flash内存单元的物理结构
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：
| 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个ID的含义
【Nand Flash的物理存储单元的阵列组织结构】
Nand flash的内部组织结构，此处还是用图来解释，比较容易理解：
图2.Nand Flash物理存储单元的阵列组织结构
上图是K9K8G08U0A的datasheet中的描述。
简单解释就是:
1.一个nand flash由很多个块（Block）组成，块的大小一般是128KB，256KB，512KB，此处是128KB。
2.每个块里面又包含了很多页（page）。每个页的大小，对于现在常见的nand flash多数是2KB，更新的nand flash是4KB，这类的，页大小大于2KB的nand flash，被称作big block，对应的发读写命令地址，一共5个周期(cycle)，而老的nand flash，页大小是256B，512B，这类的nand flash被称作small block，。地址周期只有4个。
而块，也是Nand Flash的擦除操作的基本/最小单位。
3.每一个页，对应还有一块区域，叫做空闲区域（spare area）/冗余区域（redundant area），而Linux系统中，一般叫做OOB（Out Of Band），这个区域，是最初基于Nand Flash的硬件特性：数据在读写时候相对容易错误，所以为了保证数据的正确性，必须要有对应的检测和纠错机制，此机制被叫做EDC(Error Detection Code)/ECC（Error Code Correction, 或者 Error Checking and Correcting），所以设计了多余的区域，用于放置数据的校验值。
页是Nand Flash的写入操作的基本/最小的单位。
【Nand Flash数据存储单元的整体架构】
简单说就是，常见的nand flash，内部只有一个chip，每个chip只有一个plane。
而有些复杂的，容量更大的nand flash，内部有多个chip，每个chip有多个plane。这类的nand flash，往往也有更加高级的功能，比如下面要介绍的Multi Plane Program和Interleave Page Program等。
比如，型号为K9K8G08U0A这个芯片（chip），内部有两个K9F4G08U0A，每个K9F4G08U0A包含了2个Plane，每个Plane是1Gb，所以K9F4G08U0A的大小是1Gb×2＝2Gb＝256MB，因此，K9K8G08U0A内部有2个K9F4G08U0A，即4个Plane，总大小是4×256MB＝1GB。
而型号是K9WAG08U1A的nand flash，内部包含了2个K9K8G08U0A，所以，总容量是K9K8G08U0A的两倍＝1GB×2＝2GB，类似地K9NBG08U5A，内部包含了4个K9K8G08U0A，总大小就是4×1GB＝4GB。
【Flash名称的由来】
Flash的擦除操作是以block块为单位的，与此相对应的是其他很多存储设备，是以bit位为最小读取/写入的单位，Flash是一次性地擦除整个块：在发送一个擦除命令后，一次性地将一个block，常见的块的大小是128KB/256KB。。，全部擦除为1，也就是里面的内容全部都是0xFF了，由于是一下子就擦除了，相对来说，擦除用的时间很短，可以用一闪而过来形容，所以，叫做Flash Memory。中文有的翻译为 （快速）闪存。
【Flash相对于普通设备的特殊性】
1. 上面提到过的，Flash最小操作单位，有些特殊。
一般设备，比如硬盘/内存，读取和写入都是以bit位为单位，读取一个bit的值，将某个值写入对应的地址的位，都是可以按位操作的。
但是Flash由于物理特性，使得内部存储的数据，只能从1变成0，这点，可以从前面的内部实现机制了解到，只是方便统一充电，不方便单独的存储单元去放电，所以才说，只能从1变成0，也就是释放电荷。
所以，总结一下Flash的特殊性如下：
| 普通设备(硬盘/内存等) | Flash | |
| 读取/写入的叫法 | 读取/写入 | 读取/编程(Program)① |
| 读取/写入的最小单位 | Bit/位 | Page/页 |
| 擦除(Erase)操作的最小单位 | Bit/位 | Block/块 ② |
| 擦除操作的含义 | 将数据删除/全部写入0 | 将整个块都擦除成全是1，也就是里面的数据都是0xFF ③ |
| 对于写操作 | 直接写即可 | 在写数据之前，要先擦除，然后再写 |
表2.Flash和普通设备相比所具有的特殊性
注：
① 之所以将写操作叫做编程，是因为，flash 和之前的EPROM，EEPROM继承发展而来，而之前的EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)，往里面写入数据，就叫做编程Program，之所以这么称呼，是因为其对数据的写入，是需要用电去擦除/写入的，就叫做编程。
② 对于目前常见的页大小是2K/4K的Nand Flash，其块的大小有128KB/256KB/512KB等。而对于Nor Flash，常见的块大小有64K/32K等。
③在写数据之前，要先擦除，内部就都变成0xFF了，然后才能写入数据，也就是将对应位由1变成0。
实例分析 K9F5608U0D + s3c2410
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NAND Flash在嵌入式系统中的地位与PC机上的硬盘类似，用于保存系统运行所必需的操作系统、应用程序、用户数据、运行过程中产生的各类数据。与内存掉电后数据丢失不同，NAND Flash中的数据在掉电后仍可永久保存。 操作NAND Flash时，先传输命令，然后传输地址，最后读/写数据，期间要检查Flash的状态。对于K9F5608U0D，它的容量为32MB，需要25位地址。发出命令后，后面要紧跟3个地址序列。比如读Flash时，发出读命令和3个地址序列后，后续的读操作就可以得到这个地址及其后续地址的数据。相应的命令字和地址序列如表1和2所示：
表1：K9F5608U0D命令设置表
表2：K9F5608U0D寻址周期表 K9F5608U0D一页的大小为512字节，分为两部分：前半页，后半页。由于列地址只有8根数据线，所以寻址宽度只有256个字节。而在这512个字节的一页中，当发出读命令为00h时，表示列地址将在前半部分寻址，命令为01h时，表示列地址将在后半部分寻址。A8被读命令00h设置为低电平，而在01时设置成高电平。 S3C2410对NAND Flash操作提供了几个寄存器来简化对NAND Flash的操作。比如要发出读命令时，只需要往NFCMD寄存器中写入0即可，而控制器会自动发出各种控制信号进行操作。以下几个寄存器，为2410专为NAND而设计的： NFCONF：NAND Flash配置寄存器。 被用来使能/禁止NAND Flash控制器、使能/禁止控制引脚信号nFCE、初始化ECC、设置NAND Flash的时序参数等。 TACLS、TWRPH0、TWRPH1这3个参数控制的是NAND Flash信号线CLE/ALE与写控制信号n/WE的时序关系，如图1所示：
图1：S3C2410 NAND控制时序图 NFCMD：NAND Flash命令寄存器。 对于不同型号的Flash，操作命令一般不一样。 NFADDR：NAND Flash地址寄存器。 当写这个寄存器时，它将对Flash发出地址信号。 NFDATA：NAND Flash数据寄存器。 只用到低8位，读，写此寄存器将启动对NAND Flash的读数据、写数据操作。 NFSTAT：NAND Flash状态寄存器。 只用到位0，0：busy，1：ready。 在使用NAND Flash之前，需要先对NAND进行初始化： void init_nandcof(void) { rNFCONF=0xf820;// 设置 NANDFLASH ，各位定义如表 3 所示：
表3：NFCONF寄存器 [15]：设置为1，NANDFLASH 控制器开，由datasheet得到，在自动启动后，nandflash控制器会关闭，如果要使用控制器，就要手工开。 [12]：初始化ECC寄存器，设置为1 [11]：外部NAND使能，这里设置为1，先关一下。 [10:8]：TACLS设置，由表4得，ALE和CLE要求保持10ns，而现在的HCLK为100m，所以TACLS为0就可以了。
表4：AC TIMING CHARACTERISTICS FOR COMMAND / ADDRESS / DATA INPUT [6:4]：由表4得，twp在3.3V时需要至少25ns的时间，现在在HCLK为100M的情况下，需要3个周期，所以TWRPH0为2， [2:0]：由表4得到，tch要求时间为10ns,所以在HCLK为100M的情况下，只要1个周期就行了，所以TWRPH1为0 rNFCONF &= ~0x800;//NAND使能。CE低电平有效 rNFCMD=0xff; //重启一下NAND，由表5所示，得到复位的命令
表5：NANDFLASH命令表 while(!(rNFSTAT&0x1));//等待复位完成，由表6得，NFSTAT寄存器定义
表6：NFSTAT寄存器 } 对于NANDFLASH操作来说，一般有4种：1、读NAND ID，2、读NAND内容，3、写NANDFLASH，4、擦除NANDFLASH。以下分4个函数说明NANDFLASH的4种操作： 1、读NANDFLASH的ID static int nand_read_id(void) { int i ， id;//i用于记录当前的，id用于记录读取的ID rNFCONF &= ~0x800;使能//NANDFLASH for(i=0; i<10; i++);//等待10个周期，等待Nand准备就绪
图2：NAND读时序图 以下部分按照图2时序图而写 rNFCMD=0x90; for(i=0;i<5;i++);//由于FCLK为200MHz，这里5个周期为25ns 查器件手册得t AR最小需要10ns，最大没有上限 id=rNFDATA;//读出NAND的制做商编号：这里三星为0xEC id=(id<<8)+rNFDATA //关芯片使能，防止误操作对NAND中的数据修改 rNFCONF |= 0x800; return id;// 返回读取的ID } 2、读NAND内容 static int nand_read(unsigned char *buf, unsigned long start_addr, int size) { int i, j;//i用于记录当前的，j记录每一页中的byte地址 rNFCONF &= ~0x800;// 使能NANDFLASH for(i=0; i<10; i++);//等待10个周期
图3：NAND读时序图 以下部分按照图3时序图而写 for(i=start_addr; i < (start_addr + size);) { rNFCMD = 0;//由表3-4-5所示，读数据区的命令为0x0或者0x1，而对于512bytes来说，0x0是从第0个字节开始读起，而0x1是从第256个字节读起。当使用NFCMD寄存器时，控制NAND的ALE会置0，CLE会置1，数据写入时，WE也会由低变高，而当WE由低变高的过程后，命令将锁存在了NAND中的命令寄存器中，而这些都是自动的 //nand的写入方法见时序图，由于向2410的NAND的NFADDR寄存器写数据，此时ALE至1，CLE至0，数据写入时，WE也会由低变高，而当WE由低变高的过程后，地址数据将锁存在了NAND中的地址寄存器中，这些全是自动的，而又因为32M的NAND只需要3个周期寻址，所以这里只向地址寄存器发3个周期的命令就可以了 rNFADDR = i & 0xff; rNFADDR = (i >> 9) & 0xff;//（左移9位，不是8位） rNFADDR = (i >> 17) & 0xff; //（左移17位，不是16位） 表3-4-2列出了在地址操作的3个步骤对应的NAND内部地址线，没有A8（它由读命令设置，当读命令为0时，A8=0；当读命令为1时，A8=1），所以在第二，第三次向rNFADDR寄存器发送地址时，需要再多移一位，而不是原来的8和16。 wait_idle();//由时序图得到，当输入地址完成后，NANDFLASH会进入忙状态，我个人认为是NAND内部对输入的地址进行解释。 for(j=0; j < 512; j++, i++) { *buf = (rNFDATA & 0xff);//读取NAND中的数据，将数据写入到指定的数据写入位置，当使用NFDATA寄存器时，控制NAND的CLE和ALE都会自动1。而buf指针是外面传进来的地址，在下面的函数调用会用到，每读取一次NFDATA寄存器，控制NAND的OE都会由高电平到低电平转变。而NANDFLASH的数据每读取一次，都会指向下一个内部的地址，而一个数据区由512bytes组成，当继续读下去的时候，将读到16bytes的ECC区，所以每对完512个字节后，要对nand的地址重新定位。 buf++;//写入地址位置+1 } } //关芯片使能，防止误操作对NAND中的数据修改 rNFCONF |= 0x800; return 0;//返回0，表示读取成功 } 3、写NAND内容 static int nand_write(unsigned char *buf, unsigned long start_addr, int size) { int i, j;//i用于记录当前的，j记录每一页中的byte地址 rNFCONF &= ~0x800;使能//NANDFLASH for(i=0; i<10; i++);//等待10个周期
图4：NAND编程时序图 以下部分按照图4时序图而写 for(i=start_addr; i < (start_addr + size);) { rNFCMD = 0;//由图3-4-5所示，写数据区前先确认写入哪个区，命令为0x0或者0x1。而对于512bytes来说，0x0是从第0个字节开始读起，而0x1是从第256个字节读起。当使用NFCMD寄存器时，控制NAND的ALE会置0，CLE会置1，数据写入时，WE也会由低变高，而当WE由低变高的过程后，命令将锁存在了NAND中的命令寄存器中，而这些都是自动的。
图5：NAND写入位置图 //nand的写入方法见时序图，由于向2410的NAND的NFADDR寄存器写数据，此时ALE至1，CLE至0，数据写入时，WE也会由低变高，而当WE由低变高的过程后，地址数据将锁存在了NAND中的地址寄存器中，这些全是自动的，而又因为32M的NAND只需要3个周期寻址，所以这里只向地址寄存器发3个周期的命令就可以了。 rNFADDR = i & 0xff; rNFADDR = (i >> 9) & 0xff;//（左移9位，不是8位） rNFADDR = (i >> 17) & 0xff; //（左移17位，不是16位） 表3-4-2列出了在地址操作的3个步骤对应的NAND内部地址线，没有A8（它由读命令设置，当读命令为0时，A8=0；当读命令为1时，A8=1），所以在第二，第三次向rNFADDR寄存器发送地址时，需要再多移一位，而不是原来的8和16。 for(j=0; j < 512; j++, i++) { rNFDATA =(*buf )& 0xff;//向NAND写入数据，将数据写入到指定的数据写入位置，当使用NFDATA寄存器时，控制NAND的CLE和ALE都会自动1。而buf指针是外面传进来的地址，在下面的函数调用会用到，每写一次NFDATA寄存器，控制NAND的WE都会由低电平向高电平转变。而NANDFLASH的数据每写一次，都会指向下一个内部的地址，而一个数据区由512bytes组成，当继续写下去的时候，将写到16bytes的ECC区，所以每对完512个字节后，要对nand的地址重新定位。 buf++;//写入地址位置+1 } rNFCMD(0x10);//写入确认命令，由表3-4-5所得，在512个字节写完后，需要确认。这种设计可以防止误操作而影响了内部数据区 wait_idle();//由时序图得到，等待512字节输入完成。 rNFCMD(0x70);//读取NAND状态寄存器的内容 if(rNFDATA&0x1==0x1) return 1;//读取状态寄存器，判读写入是否成功，由图3-4-4所得，读出的数据0位为1时，写入失败。 } //关芯片使能，防止误操作对NAND中的数据修改 rNFCONF |= 0x800; return 0;//返回0，表示写入成功 } 4、擦NAND内容 static int nand_ erase (unsigned long start_addr, int size) { int i, j;//i用于记录当前的，j记录每一页中的byte地址 rNFCONF &= ~0x800;使能//NANDFLASH for(i=0; i<10; i++);//等待10个周期
图6：NAND擦除时序图 以下部分按照图6时序图而写 for(i=start_addr; i < (start_addr + size);) { rNFCMD=0x60;//擦除命令 rNFADDR = (i >> 9) & 0xff;//（左移9位，不是8位） rNFADDR = (i >> 17) & 0xff; //（左移17位，不是16位） NFCMD=0xD0;//确认擦除命令 i+=512*32;//擦除一块的长度为512字节的页，此种页32页组成一块 wait_idle();//由时序图得到，等待1块内容被擦除完成。 rNFCMD(0x70);//读取NAND状态寄存器的内容 if(rNFDATA&0x1==0x1) returen 1;//如果失败，则返回1 } //关芯片使能，防止误操作对NAND中的数据修改 rNFCONF |= 0x800; return 0;//返回0，表示擦除成功 }
以上4次情况可以基本完成对NAND的操作，但是这里要注意的是，在linux写入和读出时，必须是出NAND中的每一页的第0个字节读取，而不能随便从其中间的位置读取，而这一部分是MTD中有明确的方法