flash知识点

一 Flash

1 概述

  FLASH(Flash Memory)存储器又称闪存，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))，它结合了ROM和RAM的长处，不仅具备电子可擦除可编程(EEPROM)的性能，还不会断电丢失数据同时可以快速读取数据(NVRAM的优势)。在过去的20年里，嵌入式系统一直使用ROM(EPROM)作为它们的存储设备，然而近年来Flash全面代替了ROM(EPROM)在嵌入式系统中的地位，用作存储Bootloader以及操作系统或者程序代码或者直接当硬盘使用(U盘)。目前市面上的FLASH 主要来自Intel，AMD，Fujitsu和Toshiba，而生产NAND Flash的主要厂家有Samsung和Toshiba。

2 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。所以一般将Flash翻译为 （快速）闪存。

二 Flash的硬件实现机制

  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，就已经采用了Floating Gate存储数据这一技术了。

    图：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，因此，Flash的存储单元的默认值，不是0（其他常见的存储设备，比如硬盘灯，默认值为0），而是1，而如果将电荷释放掉，电压降低到一定程度，表述数字0。

三 Flash的分类及其应用

  目前Flash主要有两种 NOR Flash 和 NADN Flash。
  NOR Flash的读取和我们常见的SDRAM的读取是一样，用户可以直接运行装载在NOR FLASH里面的代码，这样可以减少SRAM的容量从而节约了成本。Nor的成本相对高，容量相对小，比如常见的只有128KB，256KB，1MB，2MB等等，优点是读写数据时候，不容易出错。所以在应用领域方面，Nor Flash比较适合应用于存储少量的代码。
  NAND Flash没有采取内存的随机读取技术，它的读取是以一次读取一块的形式来进行的，通常是一次读取512个字节，采用这种技术的Flash比较廉价。用户不能直接运行NAND Flash上的代码，因此好多使用NAND Flash的开发板除了使用NAND Flah以外，还作上了一块小的NOR Flash来运行启动代码。Nand flash成本相对低，说白了就是便宜，缺点是使用中数据读写容易出错，所以一般都需要有对应的软件或者硬件的数据校验算法，统称为ECC。但优点是，相对来说容量比较大，现在常见的Nand Flash都是1GB，2GB，更大的8GB的都有了，相对来说，价格便宜，因此适合用来存储大量的数据。其在嵌入式系统中的作用，相当于PC上的硬盘，用于存储大量数据。
  一般小容量的用NOR Flash，因为其读取速度快，多用来存储操作系统等重要信息，而大容量的用NAND FLASH，最常见的NAND FLASH应用是嵌入式系统采用的DOC(Disk On Chip)和我们通常用的’闪盘’，可以在线擦除。
  而一般的嵌入式平台的启动流程也就是，系统从装有启动代码的Nor Flash启动后，初始化对应的硬件，包括SDRAM等，然后将Nand Flash上的Linux 内核读取到内存中，做好该做的事情后，就跳转到SDRAM中去执行内核了，然后内核解压（如果是压缩内核的话，否则就直接运行了）后，开始运行，在Linux内核启动最后，去Nand Flash上，挂载根文件，比如jffs2，yaffs2等，挂载完成，运行初始化脚本，启动consle交互，才允许你通过console和内核交互。至此完成整个系统启动过程。
  而Nor Flash就分别存放的是Uboot，Nand Flash存放的是Linux的内核镜像和根文件系统，以及余下的空间分成一个数据区。

四 Nor Flash

  在通信方式上Nor Flash 分为两种类型：CFI Flash和 SPI Flash，即采用的通信协议不同。

1 CFI Flash

  英文全称是common flash interface,也就是公共闪存接口，是由存储芯片工业界定义的一种获取闪存芯片物理参数和结构参数的操作规程和标准。CFI有许多关于闪存芯片的规定，有利于嵌入式对FLASH的编程。现在的很多NOR FLASH 都支持CFI，但并不是所有的都支持。
  CFI接口，相对于串口的SPI来说，也被称为parallel接口，并行接口；另外，CFI接口是JEDEC定义的，所以，有的又成CFI接口为JEDEC接口。所以，可以简单理解为：对于Nor Flash来说，CFI接口＝JEDEC接口＝Parallel接口 = 并行接口
  特点在于支持的容量更大，读写速度更快。
  缺点由于拥有独立的数据线和地址总线，会浪费电路电子设计上的更多资源。

2 SPI Flash

  serial peripheral interface串行外围设备接口,是一种常见的时钟同步串行通信接口。有4线（时钟，两个数据线，片选线）或者3线（时钟，两个数据线）通信接口，由于它有两个数据线能实现全双工通信，读写速度上较快。拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取，允许系统直接从Flash中读取代码执行；可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以Sector为单位或对整片执行擦除操作，在对存储器进行重新编程之前需要对Sector或整片进行预编程和擦除操作。如W25Q64

3 CFI Flash 和 SPI Flash 比较

  SPI flash和 CFI Flash 的介质都是Nor Flash ，但是SPI 是通过串行接口来实现数据操作，而 CFI Flash 则以并行接口进行数据操作，SPI容量都不是很大，市场上 CFI Flash 做大可以做到128Mbit，而且读写速度慢，但是价格便宜，操作简单。而parallel接口速度快，容量上市场上已经有1Gbit的容量，价格昂贵。

五 Nand Flash的详细分类

1 硬件类型

1. Bare NAND chips：裸片。单独的Nand Flash芯片。
2. SmartMediaCards：裸片 + 一层薄塑料。常用于数码相机和MP3播放器中。之所以称smart，是由于其软件smart，而不是硬件本身有啥smart之处。
3. DiskOnChip：裸片 + glue logic。glue logic = 硬件ECC产生器 + 用于静态的 nand 芯片控制的寄存器 + 直接访问一小片地址窗口，那块地址中包含了引导代码的stub桩，其可以从 Nand Flash 中拷贝真正的引导代码。

2 存储电压

  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。

3 SLC（Single Level Cell）

  单个存储单元，只存储一位数据，表示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，也就无法实现之前所说的的，Flash的速度，即一闪而过的速度了，也就失去了Flash的众多特性了。

4 MLC（Multi Level Cell）

  与SLC相对应的，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，关于这点，之前看Nand flash的数据手册（datasheet）的时候，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。

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5 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：
    表：Nand Flash第3个ID的含义

	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 4 Level Cell 8 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		0 1
Cache Program	Not Support Support	0 1

六 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。
  概念上，由大到小来说，就是：Nand Flash ⇒ Chip ⇒ Plane ⇒ Block ⇒ Page ⇒ oob
  用图表来表示，更加易懂：
    图：Nand Flash的结构图

  比如，型号为K9K8G08U0A这块Nand Flash（有时候也被称为此块chip芯片），其内部有两个K9F4G08U0A的chip，chip#1和chip#2，每个K9F4G08U0A的chip包含了2个Plane，每个Plane是2Gbbit，所以K9F4G08U0A的大小是2Gb×2 = 4Gb = 512MB，因此，K9K8G08U0A内部有2个K9F4G08U0A，或者说4个Plane，总大小是×256MB＝1GB。用公式表示如下：

K9K8G08U0A(这块Nand Flash)
= 2 × K9F4G08U0A(K9F4G08U0A是chip，1 K9F4G08U0A = 2 Plane)
= 2 × 2个Plane
= 4 Plane(1 Plane = 2048 Block)
= 4 × 2048个Block(1 Block = 64 Page)
= 4 × 2048 × 64Page(1 Page = 2KB)
= 4 × 2048 × 64Page × 2KB
= 4 × 2048 × 128KB(1 Block = 128KB)
= 4 × 256MB(1 Plane = 2Gb = 256MB)
= 2 × 512MB(1 K9F4G08U0A = 4Gb = 512MB)
= 1GB(1 K9K8G08U0A = 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。

	通常只关心Nand的总大小
	上面所说的block，page等Nand Flash的物理上的组织结构，是在chip的基础上来说的，但是软件编程的时候，除非你要用到Multi Plane Program和Interleave Page Program等，一般很少区分内部有几个chip以及每个chip有几个plane，而最关心的只是Nand Flash的总体容量size有多大，比如是1GB还是2GB等等。

   下面详细介绍一下，Nand Flash的一个chip内部的硬件逻辑组织结构。

七 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：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 Block块

  一个Nand Flash（的chip，芯片）由很多个块（Block）组成，块的大小一般是128KB，256KB，512KB，此处是128KB。其他的小于128KB的，比如64KB，一般都是下面将要介绍到的small block的Nand Flash。
  块Block，是Nand Flash的擦除操作的基本/最小单位。

2 Page页

  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，最新的Nand Flash的是4KB、8KB等，这类的页大小大于2KB的Nand Flash，被称作big block的Nand Flash，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。
  页Page，是读写操作的基本单位。
  不过，也有例外的是，有些Nand Flash支持subpage（1/2页或1/4页）子页的读写操作，不过一般很少见。

3 oob/Redundant Area/Spare Area

  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。
  Oob的读写操作，一般是随着页的操作一起完成的，即读写页的时候，对应地就读写了oob。关于oob具体用途，总结起来有：

1. 标记是否是坏快
2. 存储ECC数据
3. 存储一些和文件系统相关的数据。如jffs2就会用到这些空间存储一些特定信息，而yaffs2文件系统，会在oob中，存放很多和自己文件系统相关的信息。

八 Flash相对于普通设备的特殊性

  根据上面提到过的，Flash最小操作单位，相对于普通存储设备，就显得有些特殊。
  因为一般存储设备，比如硬盘或内存，读取和写入都是以位（bit）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，这点可以从前面的内部实现机制了解到，对于最初始值，都是1，所以是0xFFFFFFFF，而数据的写入，即是将对应的变成0，而将数据的擦出掉，就是统一地，以block为单位，全部一起充电，所有位，都变成初始的1，而不是像普通存储设备那样，每一个位去擦除为0。而数据的写入，就是电荷放电的过程，代表的数据也从1变为了0。
  所以，总结一下Flash的特殊性如下：
    表：

	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)
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
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
对于写操作	直接写即可	在写数据之前，要先擦除，然后再写

	提示
	之所以将写操作叫做编程，是因为flash是从之前的EPROM、EEPROM等继承发展而来，而之前的EEPROM，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，所以叫做编程。 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。 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，也就是将对应的位由1变成0。

Nand Flash的位反转特性

  Nand Flash的位反转，也叫做位翻转，对应的英文表达有：Bit Flip=Bit Flipping=Bit-Flip=Bit twiddling。
  Nand Flash由于本身硬件的内在特性，会导致（极其）偶尔的出现位反转的现象。所谓的位反转，bit flip，指的是原先Nand Flash中的某个位，变化了，即要么从1变成0了，要么从0变成1了。

1 Nand Flash位反转的原因

  Nand Flash的位反转现象，主要是由以下一些原因/效应所导致：

1. 漂移效应（Drifting Effects）
   漂移效应指的是，Nand Flash中cell的电压值，慢慢地变了，变的和原始值不一样了。
2. 编程干扰所产生的错误（Program-Disturb Errors）
   此现象有时候也叫做，过度编程效应（over-program effect）。对于某个页面的编程操作，即写操作，引起非相关的其他的页面的某个位跳变了。
3. 读操作干扰产生的错误（Read-Disturb Errors）
   此效应是，对一个页进行数据读取操作，却使得对应的某个位的数据，产生了永久性的变化，即Nand Flash上的该位的值变了。

2 Nand Flash位反转的影响

  位反转，说白了，就是读取数据的时候，数据出错了。
  因此，如果你读取的数据正好是属于某个重要的文件中的数据，比如系统的配置文件等，那么此时错了一位，都会导致系统出现异常，问题相对会很严重。而如果此数据属于音视频流中的数据，那么此时即使错了一位，对整个音视频的播放产生的影响也很小，所以问题也不大。

3 Nand Flash位反转的类型和解决办法

  对应的位反转的类型，有两种：

1. 一种是nand flash物理上的数据存储的单元上的数据，是正确的，只是在读取此数据出来的数据中的某位，发生变化，出现了位反转，即读取出来的数据中，某位错了，本来是0变成1，或者本来是1变成0了。此处可以成为软件上位反转。此数据位的错误，当然可以通过一定的校验算法检测并纠正。
2. 另外一种，就是nand flash中的物理存储单元中，对应的某个位，物理上发生了变化，原来是1的，变成了0，或原来是0的，变成了1，发生了物理上的位的数据变化。此处可以成为硬件上的位反转。此错误，由于是物理上发生的，虽然读取出来的数据的错误，可以通过软件或硬件去检测并纠正过来，但是物理上真正发生的位的变化，则没办法改变了。不过个人理解，好像也是可以通过擦除Erase整个数据块Block的方式去擦除此错误，不过在之后的Nand Flash的使用过程中，估计此位还是很可能继续发生同样的硬件的位反转的错误。

  以上两种类型的位反转，其实对于从Nand Flash读取出来的数据来说，解决其中的错误的位的方法，都是一样的，即通过一定的校验算法，常称为ECC，去检测出来，或检测并纠正错误。如果只是单独检测错误，那么如果发现数据有误，那么再重新读取一次即可。
  实际中更多的做法是，ECC校验发现有错误，会有对应的算法去找出哪位错误并且纠正过来。其中对错误的检测和纠正，具体的实现方式，有软件算法，也有硬件实现，即硬件Nand Flash的控制器controller本身包含对应的硬件模块以实现数据的校验和纠错的。

Nand Flash引脚(Pin)的说明

引脚名称	引脚功能
I/O0 ~ I/O7	用于输入地址/数据/命令，输出数据
CLE	Command Latch Enable，命令锁存使能，在输入命令之前，要先在模式寄存器中，设置CLE使能
ALE	Address Latch Enable，地址锁存使能，在输入地址之前，要先在模式寄存器中，设置ALE使能
CE#	Chip Enable，芯片使能，在操作Nand Flash之前，要先选中此芯片，才能操作
RE#	Read Enable，读使能，在读取数据之前，要先使CE＃有效。
WE#	Write Enable，写使能, 在写取数据之前，要先使WE＃有效
WP#	Write Protect，写保护
R/B#	Ready/Busy Output,就绪/忙,主要用于在发送完编程/擦除命令后,检测这些操作是否完成,忙,表示编程/擦除操作仍在进行中,就绪表示操作完成
Vcc	Power，电源
Vss	Ground，接地
N.C	Non-Connection,未定义，未连接

	数据手册中的#表示低电平
	在数据手册中，你常会看到，对于一个引脚定义，有些字母上面带一横杠的，那是说明此引脚/信号是低电平有效，比如你上面看到的RE头上有个横线，就是说明，此RE是低电平有效，此外，为了书写方便，在字母后面加“＃”，也是表示低电平有效，比如我上面写的CE＃；如果字母头上啥都没有，就是默认的高电平有效，比如上面的CLE，就是高电平有效。

1 为何需要ALE和CLE

  硬件上，有了电源的Vcc和接地的Vss等引脚，很好理解，但是为何还要有ALE和CLE这样的引脚，为何设计这么多的命令,把整个系统搞这么复杂，关于这点，最后终于想明白了：
  设计命令锁存使能(Command Latch Enable, CLE) 和 地址锁存使能(Address Latch Enable，ALE)，那是因为，Nand Flash就8个I/O，而且是复用的，也就是，可以传数据，也可以传地址，也可以传命令，为了区分你当前传入的到底是啥，所以，先要用发一个CLE（或ALE）命令，告诉Nand Flash的控制器一声，我下面要传的是命令（或地址），这样，里面才能根据传入的内容，进行对应的动作。否则,Nand Flash内部,怎么知道你传入的是数据,还是地址,还是命令,也就无法实现正确的操作了。

2 Nand Flash只有8个I/O引脚的好处

  在Nand Flash的硬件设计中，你会发现很多个引脚。关于硬件上为何设计这样的引脚，而不是直接像其他存储设备，比如普通的RAM，直接是一对数据线引出来，多么方便和好理解啊。
  关于这样设计的好处：

1. 减少外围连线
     相对于并口(Parellel)的Nor Flash的48或52个引脚来说，的确是大大减小了引脚数目，这样封装后的芯片体积，就小很多。现在芯片在向体积更小，功能更强，功耗更低发展，减小芯片体积，就是很大的优势。同时，减少芯片接口，也意味着使用此芯片的相关的外围电路会更简化，避免了繁琐的硬件连线。
2. 提高系统的可扩展性
     因为没有像其他设备一样用物理大小对应的完全数目的addr引脚，在芯片内部换了芯片的大小等的改动，对于用全部的地址addr的引脚，那么就会引起这些引脚数目的增加，比如容量扩大一倍，地址空间/寻址空间扩大一倍，所以，地址线数目/addr引脚数目，就要多加一个，而对于统一用8个I/O的引脚的Nand Flash，由于对外提供的都是统一的8个引脚，内部的芯片大小的变化或者其他的变化，对于外部使用者(比如编写Nand Flash驱动的人)来说，不需要关心，只是保证新的芯片，还是遵循同样的接口，同样的时序，同样的命令，就可以了。这样就提高了系统的扩展性。

  说白了，对于旧的Nand Flash所实现的驱动，这些软件工作，在换新的硬件的Nand Flash的情况下，仍然可以工作，或者是通过极少的修改，就同样可以工作，使得软硬件兼容性大大提高。

Nand Flash的一些典型(typical)的特性

1. 页擦除时间是200us，有些慢的有800us
2. 块擦除时间是1.5ms
3. 页数据读取到数据寄存器的时间一般是20us
4. 串行访问（Serial access）读取一个数据的时间是25ns，而一些旧的Nand Flash是30ns，甚至是50ns
5. 输入输出端口是地址和数据以及命令一起multiplex复用的
6. Nand Flash的编程/擦除的寿命：即，最多允许的擦除的次数
   以前老的Nand Flash，编程/擦除时间比较短，比如K9G8G08U0M，才5K次，而后来的多数也只有10K=1万次，而现在很多新的Nand Flash，技术提高了，比如，Micron的MT29F1GxxABB，Numonyx的 NAND04G-B2D/NAND08G-BxC，都可以达到100K，也就是10万次的编程/擦除，达到和接近于之前常见的Nor Flash，几乎是同样的使用寿命了。
7. 封装形式
   48引脚的TSOP1封装 或 52引脚的ULGA封装

Nand Flash控制器与Nand Flash芯片

  关于Nand Flash的控制器Controller和Nand Flash芯片chip之间的关系，觉得有必要解释一下：
  首先，我们要知道的是，我们写驱动，是写Nand Flash 控制器的驱动，而不是Nand Flash 芯片的驱动，因为独立的Nand Flash芯片，一般来说，是很少直接拿来用的，多数都是硬件上有对应的硬件的Nand Flash的控制器，去操作和控制Nand Flash，包括提供时钟信号，提供硬件ECC校验等等功能，我们所写的驱动软件，是去操作Nand Flash的控制器，然后由控制器去操作Nand Flash芯片，实现我们所要的功能。

Nand Flash中的特殊硬件结构

  由于Nand Flash相对其他常见设备来说，比较特殊，所以，特殊的设备，就有特殊的设计，就对应某些特殊的硬件特性，就有必要解释解释：
  页寄存器（Page Register）：
  由于Nand Flash读取和编程操作来说，一般最小单位是页，所以Nand Flash在硬件设计时候，就考虑到这一特性，对于每一片（Plane），都有一个对应的区域专门用于存放，将要写入到物理存储单元中去的或者刚从存储单元中读取出来的，一页的数据，这个数据缓存区，本质上就是一个缓存buffer，但是只是此处datasheet里面把其叫做页寄存器page register而已，实际将其理解为页缓存，更贴切原意。
  而正是因为有些人不了解此内部结构，才容易产生之前遇到的某人的误解，以为内存里面的数据，通过Nand Flash的FIFO，写入到Nand Flash里面去，就以为立刻实现了实际数据写入到物理存储单元中了，而实际上只是写到了这个页缓存中，只有当你再发送了对应的编程第二阶段的确认命令，即0x10，之后，实际的编程动作才开始，才开始把页缓存中的数据，一点点写到物理存储单元中去。
  所以，简单总结一下就是，对于数据的流向，实际是经过了如下步骤：
    图：Nand Flash读写时的数据流向

Nand Flash中的坏块(Bad Block)

  Nand Flash中，一个块中含有1个或多个位是坏的，就称为其为坏块Bad Block。
  坏块的稳定性是无法保证的，也就是说，不能保证你写入的数据是对的，或者写入对了，读出来也不一定对的。与此对应的正常的块，肯定是写入读出都是正常的。

1 坏块的分类

  坏块有两种：

1. 出厂时就有存在的坏块
   一种是出厂的时候，也就是，你买到的新的，还没用过的Nand Flash，就可以包含了坏块。此类出厂时就有的坏块，被称作factory (masked) bad block或initial bad/invalid block，在出厂之前，就会做对应的标记，标为坏块。
2. 使用过程中产生的坏块
   第二类叫做在使用过程中产生的，由于使用过程时间长了，在擦块除的时候，出错了，说明此块坏了，也要在程序运行过程中，发现，并且标记成坏块的。具体标记的位置，和上面一样。这类块叫做worn-out bad block。即用坏了的块。

2 坏块的标记

  具体标记的地方是，对于现在常见的页大小为2K的Nand Flash，是块中第一个页的oob起始位置（关于什么是页和oob，下面会有详细解释）的第1个字节（旧的小页面，pagesize是512B甚至256B的Nand Flash，坏块标记是第6个字节），如果不是0xFF，就说明是坏块。相对应的是，所有正常的块，好的块，里面所有数据都是0xFF的。
  不过，对于现在新出的有些Nand Flash，很多标记方式，有些变化，有的变成该坏块的第一个页或者第二个页，也有的是，倒数最后一个或倒数第二个页，用于标记坏块的。
  具体的信息，请参考对应的Nand Flash的数据手册，其中会有说明。
  对于坏块的标记，本质上，也只是对应的flash上的某些字节的数据是非0xFF而已，所以，只要是数据，就是可以读取和写入的。也就意味着，可以写入其他值，也就把这个坏块标记信息破坏了。对于出厂时的坏块，一般是不建议将标记好的信息擦除掉的。
  uboot中有个命令是：nand scrub，就可以将块中所有的内容都擦除了，包括坏块标记，不论是出厂时的，还是后来使用过程中出现而新标记的。一般来说，不建议用这个。
  不过，在实际的驱动编程开发过程中，为了方便起见，我倒是经常用，其实也没啥大碍，呵呵。不过呢，其实最好的做法是，用：nand erase，只擦除好的块，对于已经标记坏块的块，不要轻易擦除掉，否则就很难区分哪些是出厂时就坏的，哪些是后来使用过程中用坏的了。

3 坏块的管理

  对于坏块的管理，在Linux系统中，叫做坏块管理（BBM，Bad Block Management），对应的会有一个表去记录好块，坏块的信息，以及坏块是出厂就有的，还是后来使用产生的，这个表叫做坏块表（BBT，Bad Block Table）。在Linux 内核MTD架构下的Nand Flash驱动，和Uboot中Nand Flash驱动中，在加载完驱动之后，如果你没有加入参数主动要求跳过坏块扫描的话，那么都会去主动扫描坏块，建立必要的BBT的，以备后面坏块管理所使用。

4 坏块的比例

  而关于好块和坏块，Nand Flash在出厂的时候，会做出保证：

1. 关于好的，可以使用的块的数目达到一定的数目，比如三星的K9G8G08U0M，整个flash一共有4096个块，出厂的时候，保证好的块至少大于3996个，也就是意思是，你新买到这个型号的Nand Flash，最坏的可能， 有3096－3996＝100个坏块。不过，事实上，现在出厂时的坏块，比较少，绝大多数，都是使用时间长了，在使用过程中出现的。
2. 保证第一个块是好的，并且一般相对来说比较耐用。做此保证的主要原因是，很多Nand Flash坏块管理方法中，就是将第一个块，用来存储上面提到的BBT，否则，都是出错几率一样的块，那么也就不太好管理了，连放BBT的地方，都不好找了，^_。

  一般来说，不同型号的Nand Flash的数据手册中，也会提到，自己的这个Nand Flash，最多允许多少个坏块。就比如上面提到的，三星的K9G8G08U0M，最多有100个坏块。

Nand Flash中页的访问顺序

  在一个块内，对每一个页进行编程的话，必须是顺序的，而不能是随机的。比如，一个块中有128个页，那么你只能先对page0编程，再对page1编程，。。。。，而不能随机的，比如先对page3，再page1，page2，page0，page4，。。。
  关于此处对于只能顺序给页编程的说法，只是翻译自datasheet，但是实际情况却发现是，程序中没有按照此逻辑处理，可以任意对某Block内的Page去做Program的动作，而不必是顺序的。但是datasheet为何如此解释，原因未知，有待知情者给解释一下。

常见的Nand Flash的操作

  要实现对Nand Flash的操作，比如读取一页的数据，写入一页的数据等，都要发送对应的命令，而且要符合硬件的规定，如图：
    图：Nand Flash K9K8G08U0A的命令集合

  从上图可以看到，如果要实现读一个页的数据，就要发送Read的命令，而且是分两个周期（Cycle），即分两次发送对应的命令，第一次是0x00h,第二次是0x30h，而两次命令中间，需要发送对应的你所要读取的页的地址，关于此部分详细内容，留待后表。
  对应地，其他常见的一些操作，比如写一个页的数据(Page Program)，就是先发送0x80h,然后发生要写入的地址，再发送0x10h。

	注意
	对于不同厂家的不同型号的Nand Flash 的基本操作，即读页数据Read Page，写页数据（对页进行编程）Page Program，擦除整个块的数据Erase Block等操作，所用的命令都是一样的，但是针对一些Nand Flash的高级的一些特性，比如交错页编程（Interleave Page Program），多片同时编程(Simultaneously Program Multi Plane)等，所用的命令，未必一样，不过对于同一厂家的Nand Flash的芯片，那一般来说，都是统一的。

   关于一些常见的操作，比如读一个页的Read操作和写一个页的Page Program，下面开始更深入的介绍。

1 页编程（Page Program）注意事项

  Nand flash的写操作叫做编程Program，编程，一般情况下，是以页为单位的。
  有的Nand Flash，比如K9K8G08U0A，支持部分页编程（Partial Page Program），但是有一些限制：在同一个页内的，连续的部分页的编程，不能超过4次。
  一般情况下，都是以页为单位进行编程操作的，很少使用到部分页编程。
  关于这个部分页编程，本来是一个页的写操作，却用两个命令或更多的命令去实现，看起来是操作多余，效率不高，但是实际上，有其特殊考虑：
  至少对于块擦除来说，开始的命令0x60是擦除设置命令(erase setup comman)，然后传入要擦除的块地址，然后再传入擦除确认命令（erase confirm command）0xD0，以开始擦除的操作。
  这种完成单个操作要分两步发送命令的设计，即先开始设置，再最后确认的命令方式，是为了避免由于外部由于无意的/未预料而产生的噪音，比如，由于某种噪音，而产生了0x60命令，此时，即使被Nand Flash误认为是擦除操作，但是没有之后的确认操作0xD0，Nand Flash就不会去擦除数据，这样使得数据更安全，不会由于噪音而误操作。

2 读（Read）操作过程详解

  下面以最简单的read操作为例，解释如何理解时序图，以及将时序图中的要求，转化为代码。
  解释时序图之前，让我们先要搞清楚，我们要做的事情：从Nand Flash的某个页Page里面，读取我们要的数据。
  要实现此功能，会涉及到几部分的知识，即使我们不太懂Nand Flash的细节，但是通过前面的基本知识的介绍，那么以我们的常识，至少很容易想到的就是，需要用到哪些命令，怎么发这些命令，怎么计算所需要的地址，怎么读取我们要的数据等等。
  下面就一步步的解释，需要做什么，以及如何去做：

1. 需要使用何种命令
   首先，是要了解，对于读取数据，要用什么命令：根据前面关于Nand Flash的命令集合介绍，我们知道，要读取数据，要用到Read命令，该命令需要2个周期，第一个周期发0x00，第二个周期发0x30。
2. 发送命令前的准备工作以及时序图各个信号的具体含义
   知道了用何命令后，再去了解如何发送这些命令。

	提示
	在开始解释前，关于”使能”这个词要罗嗦一下，以防有些读者和我以前一样，在听这类词语的时候，属于初次接触，或者接触不多的，就很容易被搞得一头雾水的（虽然该词汇对于某些专业人士说是属于最基本的词汇了，囧）。 使能（Enable），是指使其（某个信号）有效，使其生效的意思，“使其”“能够”怎么怎么样。。。。比如，上面图中的CLE线号，是高电平有效，如果此时将其设为高电平，我们就叫做，将CLE使能，也就是使其生效的意思。

    图：Nand Flash数据读取操作的时序图

	注意
	此图来自三星的型号K9K8G08U0A的Nand Flash的数据手册(datasheet)。

  我们来一起看看，我在图6中的特意标注的①边上的黄色竖线。
  黄色竖线所处的时刻，是在发送读操作的第一个周期的命令0x00之前的那一刻。
  让我们看看，在那一刻，其所穿过好几行都对应什么值，以及进一步理解，为何要那个值。

1. 黄色竖线穿过的第一行，是CLE。还记得前面介绍命令所存使能（CLE）那个引脚吧？CLE，将CLE置1，就说明你将要通过I/O复用端口发送进入Nand Flash的，是命令，而不是地址或者其他类型的数据。只有这样将CLE置1，使其有效，才能去通知了内部硬件逻辑，你接下来将收到的是命令，内部硬件逻辑，才会将受到的命令，放到命令寄存器中，才能实现后面正确的操作，否则，不去将CLE置1使其有效，硬件会无所适从，不知道你传入的到底是数据还是命令了。
2. 而第二行，是CE#，那一刻的值是0。这个道理很简单，你既然要向Nand Flash发命令，那么先要选中它，所以，要保证CE#为低电平，使其有效，也就是片选有效。
3. 第三行是WE#，意思是写使能。因为接下来是往Nand Flash里面写命令，所以，要使得WE#有效，所以设为低电平。
4. 第四行，是ALE是低电平，而ALE是高电平有效，此时意思就是使其无效。而对应地，前面介绍的，使CLE有效，因为将要数据的是命令（此时是发送图示所示的读命令第二周期的0x30），而不是地址。如果在其他某些场合，比如接下来的要输入地址的时候，就要使其有效，而使CLE无效了。
5. 第五行，RE#，此时是高电平，无效。可以看到，知道后面低6阶段，才变成低电平，才有效，因为那时候，要发生读取命令，去读取数据。
6. 第六行，就是我们重点要介绍的，复用的输入输出I/O端口了，此刻，还没有输入数据，接下来，在不同的阶段，会输入或输出不同的数据/地址。
7. 第七行，R/B#,高电平，表示R（Ready）/就绪，因为到了后面的第5阶段，硬件内部，在第四阶段，接受了外界的读取命令后，把该页的数据一点点送到页寄存器中，这段时间，属于系统在忙着干活，属于忙的阶段，所以，R/B#才变成低，表示Busy忙的状态的。

  介绍了时刻①的各个信号的值，以及为何是这个值之后，相信，后面的各个时刻，对应的不同信号的各个值，大家就会自己慢慢分析了，也就容易理解具体的操作顺序和原理了。

3 如何计算出我们要传入的行地址和列地址

  在介绍具体读取数据的详细流程之前，还要做一件事，那就是，先要搞懂我们要访问的地址，以及这些地址，如何分解后，一点点传入进去，使得硬件能识别才行。
  此处还是以K9K8G08U0A为例，此Nand Flash，一共有8192个块，每个块内有64页，每个页是2K+64 Bytes。
  假设，我们要访问其中的第7000个块中的第64页中的1208字节处的地址，此时，我们就要先把具体的地址算出来：

物理地址
=块大小×块号 ＋ 页大小×页号 ＋ 页内地址
=128K×7000 ＋ 2K×64 ＋ 1208
=0x36B204B8

  接下来，我们就看看，怎么才能把这个实际的物理地址，转化为Nand Flash所要求的格式。
  在解释地址组成之前，先要来看看其datasheet中关于地址周期的介绍：
    图：Nand Flash的地址周期组成

  结合图“Nand Flash数据读取操作的时序图”中的2，3阶段，我们可以看出，此Nand Flash地址周期共有5个，2个列(Column)周期，3个行（Row）周期。

1. 对应地，列地址A0~A10，就是页内地址，地址范围是从0到2047。细心的读者可能注意到了，为何此处多出来个A11呢？
   这样从A0到A11，一共就是12位，可以表示的范围就是0 ~ 212，即0 ~ 4096了。
   实际上，由于我们访问页内地址，可能会访问到oob的位置，即2048-2111这64个字节的范围内，所以，此处实际上只用到了2048～2111，用于表示页内的oob区域，其大小是64字节。
2. 对应地，A12～A30，称作页号，页的号码，可以定位到具体是哪一个页。
   A18～A30，表示对应的块号，即属于哪个块。
     简单解释完了地址组成，那么就很容易分析上面例子中的地址了。