ICMAX系统阐明eMMC原理之Flash Memory篇

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。

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：

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。

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。

（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！