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nor flash 和nand flash 的区别


nor flash 和 nand flash 的区别
ROM 和 RAM 指的都是半导体存储器, 是 Read Only Memory 的缩写, 是 Random ROM RAM Access Memory 的缩写.ROM 在系统停止供电的时候仍然可以保持数据,而 RAM 通常都是在掉电之后就丢失数据,典型的 RAM 就是计算机的内存. RAM 有两大类,一种称为静态

RAM(Static RAM/SRAM),SRAM 速度非常快,是 目前读写最快的存储设备了,但是它也非常昂贵,所以只在要求很苛刻的地方使 用, 譬如 CPU 的一级缓冲, 二级缓冲. 另一种称为动态 RAM (Dynamic RAM/DRAM) , DRAM 保留数据的时间很短, 速度也比 SRAM 慢, 不过它还是比任何的 ROM 都要快, 但从价格上来说 DRAM 相比 SRAM 要便宜很多,计算机内存就是 DRAM 的. DRAM 分为很多种,常见的主要有 FPRAM/FastPage,EDORAM,SDRAM,DDR RAM, RDRAM,SGRAM 以及 WRAM 等,这里介绍其中的一种 DDR RAM. DDR RAM(Date-Rate RAM)也称作 DDR SDRAM,这种改进型的 RAM 和 SDRAM 是基 本一样的,不同之处在于它可以在一个时钟读写两次数据,这样就使得数据传输 速度加倍了.这是目前电脑中用得最多的内存,而且它有着成本优势,事实上击 败了 Intel 的另外一种内存标准-Rambus DRAM.在很多高端的显卡上,也配备 了高速 DDR RAM 来提高带宽,这可以大幅度提高 3D 加速卡的像素渲染能力. 内存工作原理: 内存是用来存放当前正在使用的(即执行中)的数据和程序,我们平常所提到的 计算机的内存指的是动态内存(即 DRAM),动态内存中所谓的"动态",指的是 当我们将数据写入 DRAM 后,经过一段时间,数据会丢失,因此需要一个额外设 电路进行内存刷新操作. 具体的工作过程是这样的:一个 DRAM 的存储单元存储的是 0 还是 1 取决于电容 是否有电荷,有电荷代表 1,无电荷代表 0.但时间一长,代表 1 的电容会放电, 代表 0 的电容会吸收电荷,这就是数据丢失的原因;刷新操作定期对电容进行检 查,若电量大于满电量的 1/2,则认为其代表 1,并把电容充满电;若电量小于 1/2,则认为其代表 0,并把电容放电,藉此来保持数据的连续性. ROM 也有很多种,PROM 是可编程的 ROM,PROM 和 EPROM(可擦除可编程 ROM)两 者区别是,PROM 是一次性的,也就是软件灌入后,就无法修改了,这种是早期 的产品, 现在已经不可能使用了, EPROM 是通过紫外光的照射擦出原先的程序, 而 是一种通用的存储器.另外一种 EEPROM 是通过电子擦出,价格很高,写入时间 很长,写入很慢. 举个例子,手机软件一般放在 EEPROM 中,我们打电话,有些最后拨打的号码, 暂时是存在 SRAM 中的,不是马上写入通过记录(通话记录保存在 EEPROM 中), 因为当时有很重要工作(通话)要做,如果写入,漫长的等待是让用户忍无可忍 的. FLASH 存储器又称闪存,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),U 盘和 MP3 里用的就是这种存储器.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 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. 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. 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. 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. NAND Flash 和 NOR Flash 的比较 NOR 和 NAND 是现在市场上两种主要的非易失闪存技术.Intel 于 1988 年首先 开发出 NOR flash 技术,彻底改变了原先由 EPROM 和 EEPROM 一统天下的 局面.紧接着,1989 年,东芝公司发表了 NAND flash 结构,强调降低每比特 的成本,更高的性能,并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级.但是经过了十多 年之后,仍然有相当多的硬件工程师分不清 NOR 和 NAND 闪存. 相"flash 存储器"经常可以与相"NOR 存储器"互换使用.许多业内人士也搞 不清楚 NAND 闪存技术相对于 NOR 技术的优越之处, 因为大多数情况下闪存只 是用来存储少量的代码, 这时 NOR 闪存更适合一些. NAND 则是高数据存储 而 密度的理想解决方案. NOR 是现在市场上主要的非易失闪存技术.NOR 一般只用来存储少量的代码; NOR 主要应用在代码存储介质中.NOR 的特点是应用简单,无需专门的接口电 路,传输效率高,它是属于芯片内执行(XIP, eXecute In Place),这样应用程序 可以直接在(NOR 型)flash 闪存内运行,不必再把代码读到系统 RAM 中.在 1~4MB 的小容量时具有很高的成本效益, 但是很低的写入和擦除速度大大影响 了它的性能.NOR flash 带有 SRAM 接口,有足够的地址引脚来寻址,可以很 容易地存取其内部的每一个字节.NOR flash 占据了容量为 1~16MB 闪存市场 的大部分. NAND 结构能提供极高的单元密度, 可以达到高存储密度, 并且写入和擦除 的速度也很快.应用 NAND 的困难在于 flash 的管理和需要特殊的系统接口. 1,性能比较: flash 闪存是非易失存储器,可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编 程.任何 flash 器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行,所以大多数情

况下, 在进行写入操作之前必须先执行擦除. NAND 器件执行擦除操作是十分简 单的,而 NOR 则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为 1. 由于擦除 NOR 器件时是以 64~128KB 的块进行的,执行一个写入/擦除操 作的时间为 5s,与此相反,擦除 NAND 器件是以 8~32KB 的块进行的,执行 相同的操作最多只需要 4ms. 执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了 NOR 和 NADN 之间的性能差距, 统 计表明,对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时),更多的擦除操作必须 在基于 NOR 的单元中进行.这样,当选择存储解决方案时,设计师必须权衡以 下的各项因素: ● NOR 的读速度比 NAND 稍快一些. ● NAND 的写入速度比 NOR 快很多. ● NAND 的 4ms 擦除速度远比 NOR 的 5s 快. ● 大多数写入操作需要先进行擦除操作. ● NAND 的擦除单元更小,相应的擦除电路更少. (注:NOR FLASH SECTOR 擦除时间视品牌,大小不同而不同,比如,4M FLASH,有的 SECTOR 擦除时间为 60ms,而有的需要最大 6s.) 2,接口差别: NOR flash 带有 SRAM 接口,有足够的地址引脚来寻址,可以很容易地存 取其内部的每一个字节. NAND 器件使用复杂的 I/O 口来串行地存取数据, 各个产品或厂商的方法可 能各不相同.8 个引脚用来传送控制,地址和数据信息. NAND 读和写操作采用 512 字节的块,这一点有点像硬盘管理此类操作, 很自然地,基于 NAND 的存储器就可以取代硬盘或其他块设备. 3,容量和成本: NAND flash 的单元尺寸几乎是 NOR 器件的一半,由于生产过程更为简单, NAND 结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量,也就相应地降低了价格. NOR flash 占据了容量为 1~16MB 闪存市场的大部分,而 NAND flash 只 是用在 8~128MB 的产品当中,这也说明 NOR 主要应用在代码存储介质中, NAND 适合于数据存储,NAND 在 CompactFlash,Secure Digital,PC Cards 和 MMC 存储卡市场上所占份额最大. 4,可靠性和耐用性:

采用 flahs 介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性.对于需要扩展 MTBF 的系统来说,Flash 是非常合适的存储方案.可以从寿命(耐用性),位交换和坏 块处理三个方面来比较 NOR 和 NAND 的可靠性. A) 寿命(耐用性) 在 NAND 闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次, NOR 的擦写次数是 而 十万次. NAND 存储器除了具有 10 比 1 的块擦除周期优势, 典型的 NAND 块尺 寸要比 NOR 器件小 8 倍,每个 NAND 存储器块在给定的时间内的删除次数要 少一些. B) 位交换 所有 flash 器件都受位交换现象的困扰. 在某些情况下(很少见, NAND 发生 的次数要比 NOR 多),一个比特(bit)位会发生反转或被报告反转了. 一位的变化可能不很明显,但是如果发生在一个关键文件上,这个小小的故 障可能导致系统停机.如果只是报告有问题,多读几次就可能解决了. 当然,如果这个位真的改变了,就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC) 算法.位反转的问题更多见于 NAND 闪存,NAND 的供应商建议使用 NAND 闪 存的时候,同时使用 EDC/ECC 算法. 这个问题对于用 NAND 存储多媒体信息时倒不是致命的.当然,如果用本 地存储设备来存储操作系统,配置文件或其他敏感信息时,必须使用 EDC/ECC 系统以确保可靠性. C) 坏块处理 NAND 器件中的坏块是随机分布的. 以前也曾有过消除坏块的努力, 但发现 成品率太低,代价太高,根本不划算. NAND 器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块,并将坏块标记为不可 用.在已制成的器件中,如果通过可靠的方法不能进行这项处理,将导致高故障 率. 5,易于使用: 可以非常直接地使用基于 NOR 的闪存,可以像其他存储器那样连接,并可 以在上面直接运行代码. 由于需要 I/O 接口,NAND 要复杂得多.各种 NAND 器件的存取方法因厂 家而异. 在使用 NAND 器件时,必须先写入驱动程序,才能继续执行其他操作.向 NAND 器件写入信息需要相当的技巧, 因为设计师绝不能向坏块写入, 这就意味 着在 NAND 器件上自始至终都必须进行虚拟映射.

6,软件支持: 当讨论软件支持的时候,应该区别基本的读/写/擦操作和高一级的用于磁盘 仿真和闪存管理算法的软件,包括性能优化. 在 NOR 器件上运行代码不需要任何的软件支持, NAND 器件上进行同样 在 操作时,通常需要驱动程序,也就是内存技术驱动程序(MTD),NAND 和 NOR 器件在进行写入和擦除操作时都需要 MTD. 使用 NOR 器件时所需要的 MTD 要相对少一些, 许多厂商都提供用于 NOR 器件的更高级软件,这其中包括 M-System 的 TrueFFS 驱动,该驱动被 Wind River system,Microsoft,QNX Software system,Symbian 和 Intel 等厂商所 采用. 驱动还用于对 DiskOnChip 产品进行仿真和 NAND 闪存的管理,包括纠错,坏 块处理和损耗平衡. NOR FLASH 的主要供应商是 INTEL ,MICRO 等厂商, 曾经是 FLASH 的主流产 品,但现在被 NAND FLASH 挤的比较难受.它的优点是可以直接从 FLASH 中 运行程序,但是工艺复杂,价格比较贵. NAND FLASH 的主要供应商是 SAMSUNG 和东芝, U 盘, 在 各种存储卡, MP3 播放器里面的都是这种 FLASH,由于工艺上的不同,它比 NOR FLASH 拥有更 大存储容量,而且便宜.但也有缺点,就是无法寻址直接运行程序,只能存储数 据.另外 NAND FLASH 非常容易出现坏区,所以需要有校验的算法. 在掌上电脑里要使用 NAND FLASH 存储数据和程序, 但是必须有 NOR FLASH 来启动.除了 SAMSUNG 处理器,其他用在掌上电脑的主流处理器还不支持直 接由 NAND FLASH 启动程序.因此,必须先用一片小的 NOR FLASH 启动机 器,在把 OS 等软件从 NAND FLASH 载入 SDRAM 中运行才行,挺麻烦的. DRAM 利用 MOS 管的栅电容上的电荷来存储信息,一旦掉电信息会全部的丢 失,由于栅极会漏电,所以每隔一定的时间就需要一个刷新机构给这些栅电容补 充电荷,并且每读出一次数据之后也需要补充电荷,这个就叫动态刷新,所以称 其为动态随机存储器.由于它只使用一个 MOS 管来存信息,所以集成度可以很 高,容量能够做的很大.SDRAM 比它多了一个与 CPU 时钟同步. SRAM 利用寄存器来存储信息,所以一旦掉电,资料就会全部丢失,只要供电, 它的资料就会一直存在,不需要动态刷新,所以叫静态随机存储器. 以上主要用于系统内存储器,容量大,不需要断电后仍保存数据的. Flash ROM 是利用浮置栅上的电容存储电荷来保存信息, 因为浮置栅不会漏电, 所以断电后信息仍然可以保存.也由于其机构简单所以集成度可以做的很高,容 量可以很大.Flash rom 写入前需要用电进行擦除,而且擦除不同与 EEPROM 可以以 byte(字节)为单位进行,flash rom 只能以 sector(扇区)为单位进行.不过

其写入时可以 byte 为单位.flash rom 主要用于 bios,U 盘,Mp3 等需要大容量 且断电不丢数据的设备.

PSRAM,假静态随机存储器 背景: PSRAM 具有一个单晶体管的 DRAM 储存格,与传统具有六个晶体管的 SRAM 储存格或是四个晶体管与 two-load resistor SRAM 储存格大不相同,但它具有 类似 SRAM 的稳定接口, 内部的 DRAM 架构给予 PSRAM 一些比 low-power 6T SRAM 优异的长处,例如体积更为轻巧,售价更具竞争力.目前在整体 SRAM 市场中,有 90%的制造商都在生产 PSRAM 组件.在过去两年,市场上重要的 SRAM/PSRAM 供货商有 Samsung,Cypress,Renesas,Micron 与 Toshiba 等. 基本原理: PSRAM 就是伪 SRAM, 内部的内存颗粒跟 SDRAM 的颗粒相似, 但外部的接口 跟 SRAM 相似,不需要 SDRAM 那样复杂的控制器和刷新机制,PSRAM 的接 口跟 SRAM 的接口是一样的. PSRAM 容量有 8Mbit,16Mbit,32Mbit 等等,容量没有 SDRAM 那样密度高,但 肯定是比 SRAM 的容量要高很多的,速度支持突发模式,并不是很慢,Hynix, Coremagic, WINBOND .MICRON. CY 等厂家都有供应,价格只比相同容量的 SDRAM 稍贵一点点,比 SRAM 便宜很多. PSRAM 主要应用于手机,电子词典,掌上电脑,PDA,PMP.MP3/4,GPS 接收 器等消费电子产品与 SRAM(采用 6T 的技术)相比,PSRAM 采用的是 1T+1C 的技 术,所以在体积上更小,同时,PSRAM 的 I/O 接口与 SRAM 相同.在容量上,目前有 4MB,8MB,16MB,32MB,64MB 和 128MB.比较于 SDRAM,PSRAM 的功耗要低 很多.所以对于要求有一定缓存容量的很多便携式产品是一个理想的选择.

各种 Flash 卡: 数码闪存卡:主流数码存储介质 数码相机,MP3 播放器,掌上电脑,手机等数字设备是闪存最主要的市场.前 面提到,手机领域以 NOR 型闪存为主,闪存芯片被直接做在内部的电路板上, 但数码相机,MP3 播放器,掌上电脑等设备要求存储介质具备可更换性,这就 必须制定出接口标准来实现连接,闪存卡技术应运而生.闪存卡是以闪存作为核 心存储部件,此外它还具备接口控制电路和外在的封装,从逻辑层面来说可以和 闪盘归为一类,只是闪存卡具有更浓的专用化色彩,而闪盘则使用通行的 USB 接口.由于历史原因,闪存卡技术未能形成业界统一的工业标准,许多厂商都开 发出自己的闪存卡方案.目前比较常见的有 CF 卡,SD 卡,SM 卡,MMC 卡和 索尼的 Memory Stick 记忆棒.

CF 卡(CompactFlash) CF 卡是美国 SanDisk 公司于 1994 引入的闪存卡,可以说是最早的大容量便携 式存储设备.它的大小只有 43mm×36mm×3.3mm,相当于笔记本电脑的 PCMCIA 卡体积的四分之一.CF 卡内部拥有独立的控制器芯片,具有完全的 PCMCIA-ATA 功能, 它与设备的连接方式同 PCMCIA 卡的连接方式类似, 只是 CF 卡的针脚数多达五十针.这种连接方式稳定而可靠,并不会因为频繁插拔而 影响其稳定性. CF 卡没有任何活动的部件,不存在物理坏道之类的问题,而且拥有优秀的抗震 性能, CF 卡比软盘,硬盘之类的设备要安全可靠.CF 卡的功耗很低,它可以 自适应 3.3 伏和 5 伏两种电压,耗电量大约相当于桌面硬盘的百分之五.这样的 特性是出类拔萃的,CF 卡出现之后便成为数码相机的首选存储设备.经过多年 的发展,CF 卡技术已经非常成熟,容量从最初的 4MB 飙升到如今的 3GB,价 格也越来越平实,受到各数码相机制造商的普遍喜爱,CF 卡目前在数码相机存 储卡领域的市场占有率排在第二位. MMC 卡 (MultiMediaCard) MMC 卡是 SanDisk 公司和德国西门子公司于 1997 年合作推出的新型存储卡, 它的尺寸只有 32mm×24mm×1.4mm,大小同一枚邮票差不多;其重量也多在 2 克以下,并且具有耐冲击,可反复读写 30 万次以上等特点.从本质上看,MMC 与 CF 其实属于同一技术体系,两者结构都包括快闪存芯片和控制器芯片,功能 也完全一样,只是 MMC 卡的尺寸超小,而连接器也必须做在狭小的卡里面,导 致生产难度和制造成本都很高,价格较为昂贵.MMC 主要应用与移动电话和 MP3 播放器等体积小的设备

NAND 闪存的可靠性问题 NAND 闪存的最大问题是单元损耗,这使得每个单元的寿命局限在一个非常 有限的写次数内.消费级的 MLC(multi-level cell 多级单元)闪存每个单元可以 经受 10,000 次写操作,而企业级的 SLC(single-level cell 单级单元)每个单元 在失效前能支持大约 100,000 次写操作.相对于每单元 3-bit 的 1,000 到 5,000 次,以及每单元 4-bit 的数百次而言,用于消费级产品的每单元 2-bit MLC 闪 存的 10,000 次写入显得已经很多了. 数据存储业界一直在努力和 NAND 闪存的一 个简单规律进行抗争,那就是随着密度的提高,成本和可靠性都会降低. 随着 SLC NAND 闪存满足企业存储的要求并在企业市场被接受,存储厂商正 在尝试通过将 MLC 引入企业市场来进一步降低其成本.具体地说,他们想用每单 元 2-bit 的 MLC 来和 SLC 闪存竞争,而将每单元 3-bit 和 4-bit 闪存用于具有 大量读操作但是很少有写操作的应用,例如数据归档. "问题不是 MLC 能否被用于企业存储系统,而是怎样才能让其以合理的成本 用于企业系统."ESG 分析师 Mark Peters 说.目前已经有将 MLC 闪存应用于企 业市场的实例.最有名的例子是 HP 公司用于 HP BladeSystem c-Class 的 StorageWorks IO 加速器,一个直连的固态存储阵列夹层卡;HP 的产品基于

Fusion-io 的 ioDrive,根据不同容量使用了 SLC 及 MLC 闪存. 企业级固态硬盘厂商使用了各种技术来使他们的产品的寿命和可靠性能够 达到或者超过机械硬盘.SSD 硬盘的保修一般为 3-4 年(不同的 SSD 厂商有所不 同),MTBF(mean time between failures 平均故障间隔时间)超过 1 百万小时, 企业级 SSD 驱动器耐用性已经至少和高端磁盘驱动器相当. "目前,我们认为 SSD 驱动器和高端 FC 驱动器可靠性差不多,"日立数据 CTO,存储架构师 Claus Mikkelsen 说道.为了达到这种级别的耐用性,在固态 硬盘的控制器中使用了复杂的损耗均衡算法来降低写次数, 并在闪存单元之间分 配写操作.通过增加额外的备用容量(通常是可用容量的 20%到 100%),可以降低 特定时间内各单元的写操作次数,并提供了额外的容量来替换损坏的单元,从而 延长了 SSD 的寿命.压缩和重复数据删除算法也被用来使效率最大化,并降低每 单元写次数.和高端机械磁盘相似,增强的纠错算法被用来发现,修复和隔离损 坏的区块."每 512 字节的区块的 ECCs(Error-correction codes 纠错码)曾经 是 4-5 个比特;现在常见的是 6-8 个比特,而且我们将会看到 12bit 的出 现"Gartner 的 Unsworth 解释道.

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