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NAND flash 和 NOR flash 详解

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。而 NAND 则是高数据 存储密度的理想解决方案。 NOR 的特点是芯片内执行(XIP, eXecute In Place),这样应用程序可以直接在 flash 闪存内运行,不必再把代码读到系统 RAM 中。 NOR 的传输效率很高,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。 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 应用 NAND 的困难在于 flash 的管理和需要特殊的系统接口。 除的速度也 很快。

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 0。 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。

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。 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。 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。 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。


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