必須要了解的知識(shí)ROM、FLASH、硬盤(pán)技術(shù)知識(shí)

在嵌入式開(kāi)發(fā)中，如果芯片內(nèi)部有Flash，應(yīng)用程序通常保存在芯片內(nèi)部FLASH中，比如Cortex-M系列的單片機(jī)；如果芯片內(nèi)部沒(méi)有Flash，則應(yīng)用程序通常保存于外部的NAND FLASH中，比如Cortex-A系列的芯片。這些Flash都是可以通過(guò)軟件編碼進(jìn)行重新編程。

在計(jì)算機(jī)發(fā)展早期，數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)在ROM中，ROM中的數(shù)據(jù)只讀不可寫(xiě)，應(yīng)用有限，直到后面出現(xiàn)的EEPROM、NAND存儲(chǔ)器，使得計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用得到快速發(fā)展，特別是近十年廣泛應(yīng)用的高速存儲(chǔ)技術(shù)eMMC與UFS，推動(dòng)消費(fèi)電子領(lǐng)域的快速發(fā)展，比如手機(jī)存儲(chǔ)技術(shù)，小米11，使用了UFS3.1技術(shù)。

存儲(chǔ)器的發(fā)展

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存儲(chǔ)器的快速發(fā)展得益于半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)明與發(fā)展，特別是晶體管與CMOS管的發(fā)明，通過(guò)電信號(hào)來(lái)控制自身開(kāi)合，以開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)和閉合來(lái)代表0和1，這些就是存儲(chǔ)電路的基本邏輯構(gòu)成，隨著集成電路的出現(xiàn)，ROM存儲(chǔ)技術(shù)也隨之產(chǎn)生。如下簡(jiǎn)要了解存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展史：

ROM

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ROM是Read Only Memory的簡(jiǎn)稱，即為只讀存儲(chǔ)器。ROM內(nèi)部的程序是在ROM的制造時(shí)被燒錄進(jìn)去的，其中的內(nèi)容只能讀不能改，一旦燒錄進(jìn)去，用戶只能讀取內(nèi)部的數(shù)據(jù)，不能再作任何修改。如果發(fā)現(xiàn)ROM的內(nèi)容寫(xiě)錯(cuò)，則該ROM芯片只能報(bào)廢。由于ROM是在生產(chǎn)線上生產(chǎn)的，由于成本高，一般只用在大批量應(yīng)用的場(chǎng)合。

PROM

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由于ROM在出廠時(shí)已被固化，用戶無(wú)法定制自己的程序和數(shù)據(jù)，因此進(jìn)行了改進(jìn)，出現(xiàn)了PROM（Programmable ROM，可編程ROM）。也就是出廠時(shí)ROM里面沒(méi)有數(shù)據(jù)即全為1，用戶可以用專用工具進(jìn)行固化程序數(shù)據(jù)到ROM中，但是這種機(jī)會(huì)只有一次，一旦寫(xiě)入后也無(wú)法修改，若是出了錯(cuò)誤，已寫(xiě)入的芯片也只能報(bào)廢。

EPROM

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PROM這種只能一次性編程顯然成本高不符合開(kāi)發(fā)需求，因此EPROM（Erasable Programmable ROM，可擦除可編程ROM）芯片出現(xiàn)，通過(guò)紫外線可重復(fù)擦除和寫(xiě)入，解決了PROM芯片只能寫(xiě)入一次的弊端。

EPROM芯片有一個(gè)很明顯的特征，在其正面的陶瓷封裝上，開(kāi)有一個(gè)玻璃窗口，透過(guò)該窗口，可以看到其內(nèi)部的集成電路，紫外線透過(guò)該孔照射內(nèi)部芯片就可以擦除其內(nèi)的數(shù)據(jù)，完成芯片擦除的操作要用到EPROM擦除器。

EPROM的型號(hào)有以27開(kāi)頭的系列，如2764(8*8K)是一片64K Bits容量的EPROM芯片。EPROM芯片在寫(xiě)入程序后，還要以不透光的貼紙或膠布把窗口封住，以免受到周?chē)淖贤饩€照射而使程序丟失。

雖然EPROM可多次擦除編程，但是由于需要編程器，所以EPROM還是不是很方便使用，因此 EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM，電可擦除可編程ROM）隨著產(chǎn)生。EEPROM的擦除不需要借助于其它設(shè)備，它是以電子信號(hào)來(lái)修改其內(nèi)容的，而且是以Byte為最小修改單位， 不需要全部擦除再寫(xiě)入，很適合嵌入式設(shè)備的外部存儲(chǔ)器。

目前EEPROM還有在使用，以Ateml公司的AT24C系列的CMOS E2PROM為例，其采用IIC通信接口，電壓1.8-3.6V，嵌入式設(shè)備應(yīng)用很廣泛。

Flash

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Flash目前主要是Intel于1988年開(kāi)發(fā)出的NOR flash技術(shù)和1989年東芝公司開(kāi)發(fā)的NAND flash技術(shù)；它們的出現(xiàn)徹底改變了存儲(chǔ)器市場(chǎng)上由EPROM（Erasable Programmable Read-Only-Memory電可編程序只讀存儲(chǔ)器）和EEPROM（電可擦只讀存儲(chǔ)器Electrically Erasable Programmable Read - Only Memory）一統(tǒng)天下的局面。

這兩種技術(shù)區(qū)別在于接口與內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。在接口方面，NOR flash有獨(dú)立的地址與數(shù)據(jù)線，而NAND flash沒(méi)有，他們的特性區(qū)別如下表所示：

內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面（基于SLC NAND），如下表所示區(qū)別：

5.1 nor flash

NOR Flash最大特點(diǎn)是支持XIP(Execute On Chip），既程序可以直接在NOR flash的片內(nèi)執(zhí)行，在NOR Flash中的代碼運(yùn)行時(shí)不需要重定位復(fù)制到RAM內(nèi)。

如上圖所示Nor Flash，型號(hào)為MX29LV160。

NOR Flash的地址線和數(shù)據(jù)線分開(kāi)，只要能夠提供數(shù)據(jù)地址，數(shù)據(jù)總線就能正確給出數(shù)據(jù)。不過(guò)不能直接對(duì)它進(jìn)行寫(xiě)操作，執(zhí)行寫(xiě)操作之前需要先發(fā)送固定的命令序列，然后發(fā)送寫(xiě)操作的地址和數(shù)據(jù)。

NOR Flash存儲(chǔ)器的最小訪問(wèn)單元一般分為8位和16位的，也有一些NOR Flash器件同時(shí)支持8位和16位模式，這種Flash的位寬可以在設(shè)計(jì)硬件時(shí)選擇，當(dāng)芯片的BYTE#引腳接為高電平，芯片工作在位寬16位模式，BYTE#引腳設(shè)為低電平時(shí)，芯片工作在位寬8位模式。

NOR Flash一般有多個(gè)扇區(qū)，扇區(qū)是NOR Flash擦除的最小單位，Nor Flash中每個(gè)扇區(qū)的大小也不是固定的。

MX29LV160為例，寫(xiě)時(shí)序圖如下所示（地址與數(shù)據(jù)總線是獨(dú)立的）：

讀時(shí)序圖如下所示，具體可參考數(shù)據(jù)手冊(cè)：

5.2 nand flash

5.2.1、nand類型

Nand flash是現(xiàn)在使用最多的閃存技術(shù)，現(xiàn)在主流的SD卡、eMMC、UFS、SSD等都是基于Nand flash技術(shù)的。但是Nand flash根據(jù)其存儲(chǔ)單元的類型，可分為SLC、MLC、TLC、QLC、PLC、…… 后續(xù)會(huì)有很多類型的LC系列。這些類型的區(qū)別是同一個(gè)存儲(chǔ)單元可以表示 的數(shù)據(jù)位數(shù)不同，以SLC、MLC、TLC、QLC為例如下圖所示：

SLC：一個(gè)單元表示1bit數(shù)據(jù)；

MLC：一個(gè)單元表示2bit數(shù)據(jù)；

MLC：一個(gè)單元表示3bit數(shù)據(jù)；

QLC：一個(gè)單元表示4bit數(shù)據(jù)；

因此同樣尺寸大小的nand flash，基于QLC可以存儲(chǔ)的容量是SLC的4倍之多。但是雖然存儲(chǔ)容量多，但是在讀寫(xiě)速率、擦除壽命及穩(wěn)定性上卻是更低的，目前市面上比較多的是基于SLC、MLC、TLC單元結(jié)構(gòu)的，特性對(duì)比如下：

SLC讀寫(xiě)快，壽命長(zhǎng)，但價(jià)格貴，容量低；而TLC讀寫(xiě)慢，壽命短，但價(jià)格便宜，容量高。所以市面上基于nand flash的產(chǎn)品中，低端產(chǎn)品大部分都是TLC，中端產(chǎn)品大部分都是mlc，企業(yè)級(jí)的高端產(chǎn)品就是用SLC，追求的是穩(wěn)定。

5.2.2、2D與3D技術(shù)

現(xiàn)在市場(chǎng)上追求的是設(shè)備的小型化，但是容量要求最大化，因此通過(guò)不斷地提升制程工藝技術(shù)，減小每個(gè)存儲(chǔ)單元的大小，如從45nm到16nm（目前最先進(jìn)制程為高通驍龍888處理器達(dá)5nm），能到達(dá)同樣的芯片體積存儲(chǔ)容量進(jìn)行擴(kuò)大。

但是制程提高也帶來(lái)了一個(gè)瓶頸，當(dāng)隨著制程工藝提高，每個(gè)存儲(chǔ)單元越小，nand單元顆粒的氧化層越薄，可靠性越低，特別是QLC這種一個(gè)存儲(chǔ)單元表示4bit/cell數(shù)據(jù)，影響更大。

假設(shè)存儲(chǔ)單元電壓是 1.8V，對(duì) SLC 而言，一個(gè) bit 有二個(gè)狀態(tài)，平均分配 1.8V 電壓，每個(gè)狀態(tài)可以分到 0.9V；對(duì) MLC 而言，四個(gè)狀態(tài)平均分配電壓，每個(gè)狀態(tài)可以分到 0.45V，以此類推，TLC 每個(gè)狀態(tài)只可以分到 0.225V，而 QLC 更慘，每個(gè)狀態(tài)只可以分到 0.1125V。在這么小的電壓下，這么多的狀態(tài)以極小的電壓區(qū)隔，電壓區(qū)隔越小越難控制，干擾也越復(fù)雜，而這些問(wèn)題都會(huì)影響 TLC 或 QLC 閃存的性能、可靠性及穩(wěn)定性。

Nand 2D技術(shù)屬于平面閃存（Planar NAND）范疇，其通過(guò)工藝提高容量瓶頸在10/9nm上；因此Nand 3D技術(shù)早在2007年就被提出來(lái)，即立體結(jié)構(gòu)閃存。舉例說(shuō)明：如果2D是平房，則3D就是高樓大廈，3D就是N層的2D閃存的堆疊，如上圖所示。

但是3D并不是簡(jiǎn)單的進(jìn)行堆疊，不同的公司有不同3D技術(shù)工藝，在3D閃存中具有代表性的工藝有：

也正因?yàn)?D NAND的技術(shù)，使得部分采用相應(yīng)技術(shù)的TLC產(chǎn)品達(dá)到了MLC的性能，就是我們常說(shuō)的3D TLC。而三星、美光等大廠的第四代顆粒3D QLC產(chǎn)品也已經(jīng)投入了市場(chǎng)，讓廣大消費(fèi)者體驗(yàn)到了更高的容量、更低的價(jià)格、更快的讀寫(xiě)性能。

隨著3D Nand的出現(xiàn)，2D由于無(wú)法在縮小單元尺寸的瓶頸限制，已經(jīng)走到盡頭，現(xiàn)在最新的3D堆疊層數(shù)達(dá)到了128層，如下圖所示：

5.2.3、nand接口與時(shí)序

Nand flash比nor flash寫(xiě)/擦除快，壽命長(zhǎng)，成本低，得到更加廣泛的應(yīng)用，但是其沒(méi)有獨(dú)立地址總線與數(shù)據(jù)總線，地址與數(shù)據(jù)共用8bit/16bit IO，因此其讀取速率方面比nor略低一些。

以美光MT29F系列nand flash為例（如MT29F16G08），其復(fù)用8bit或16bit IO用于傳輸命令、地址、數(shù)據(jù)，同時(shí)有5組控制信號(hào)CE#,CLE,ALE,WE#,RE#，還有WP寫(xiě)保護(hù)與R/B狀態(tài)信號(hào)線。

各個(gè)引腳功能描述如下表所示：

寫(xiě)命令時(shí)序：

寫(xiě)地址時(shí)序：

數(shù)據(jù)寫(xiě)入時(shí)序：

數(shù)據(jù)讀取時(shí)序：

以上讀寫(xiě)MT29F系列芯片的具體命令與地址信息組成可參考MT29F系列的規(guī)格書(shū)，網(wǎng)盤(pán)地址為：

鏈接：

https://pan.baidu.com/s/15SHhADiX1uD4CCDA20nXvQ

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審核編輯 ：李倩