NAND FLASH 编程总结

NAND FLASH操作总结

目前NAND FLASH主要是SAMSUNG、TOSHIBA两家公司生产。本文我们主要讨论这两家的产品型号。另外我们还会讨论Hitachi的AND Flash，

为了内容条理起见，我们将分别讨论SAMSUNG、TOSHIBA的Binary Flash，详细说明：1、各个厂家各个型号Flash的操作时序、以及这些操作在“USB－闪存盘控制器”中的影响；2、同一厂家不同型号间的区别、不同厂家之间的区别；

然后讨论TOSHIBA的MLC Flash；

最后我们要考虑一下AND Flash的情况，并给出一个初步的结论：我们是否需要支持AND Flash。

通过这些比较，给出一个较明确的结论：我们的“USB－闪存盘控制器”需要支持的Flash操作有那些，时序图如何！

SAMSUNG：

SAMSUNG推出的NAND Flash主要有以下容量：

32Mbit、64Mbit、128Mbit、256Mbit、512Mbit、1Gbit、2Gbit、4Gbit通常，我们把其中的1Gbit、2Gbit、4Gbit叫做“大容量”，其余的则不加强调。

32Mbit、64Mbit、128Mbit、256Mbit、512Mbit的Flash 的特性基本相似： ??Organization

- Data Register : (512 + 16) Byte

??Automatic Program and Erase - Page Program : (512 + 16)Byte

- Block Erase : (8K + 256)Byte/(16K + 512)Byte ??528-Byte Page Read Operation - Random Access : 10?s(Max.) - Serial Page Access : 50ns(Min.) ??Fast Write Cycle Time - Program time : 200?s(typ.) - Block Erase time : 2ms(typ.) ??Flash操作包括基本的七种操作：

Read1、Read2、Read ID、Reset、Page Program、Block Erase、Read Status

512Mbit的Flash引入了“Plane”和“Copy-Back”的概念，并为此增加了四种新的操作，但却放弃了128Mbit、256Mbit中“Sequential Data Input”操作，这四种操作是：针对“Plane”的Page Program(Dummy)、Multi_Plane Block Erase、Read Multi_Plane Status、针对“Copy-Back”的Copy_Back Program

1Gbit、2Gbit、4Gbit（大容量）的操作基本相同，但他们比一般Flash多了Copy-Back、Cache Program的功能：

??Organization

- Data Register : (2K + 64) Byte

-

Cache Register : (2K + 64) Byte ??Automatic Program and Erase - Page Program : (2K + 64)Byte - Block Erase : (128K + 4K)Byte

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??Page Read Operation

- Random Access : 25?s(Max.) - Serial Page Access : 50ns(Min.)

??Fast Write Cycle Time

- Program time : 300~400?s(typ.) - Block Erase time : 2ms(typ.)

??大容量Flash操作包括七种基本操作中的六种：

Read、Read ID、Reset、Page Program、Block Erase、Read Status，大容量Flash的Page不再分为A、B、C区，所以也不再有Read1、 Read2的区分。另外支持五种高性能操作方式：Read for Copy-Back、Cache Program、Copy-Back Program、Random Data Input、Random Data Output。

下面我们就讨论一下各个操作的详细时序。 Read1 操作示意图：

Read1 操作时序图：

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普通Flash的Page划分为A、B、C三个区，其中A区是0~255Byte，B区是256~511Byte ，C区是512~527 Byte，Read1操作是针对A、B区的，也就是说Rread1操作只能访问512 Byte的数据区；而16 Byte的冗余区则是通过Read2来完成的。Read1操作可以通过CE/信号来中断读操作。下面是Read2的操作： Read1 操作示意图：

Read1 操作时序图：

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另外，对于读操作还有一种“行连续读”，她可以连续读数据区或者冗余区的数据，其操作示意图如下：

Sequential Row Read1 Operation

对于Read2操作同样也有“连续读”操作，操作示意图如下：

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Sequential Row Read2 Operation (GND Input=Fixed Low)

PAGE PRGRAM

由于NAND Flash的写入是以PGAE为单位的，并且对于所有写入操作，我们都需要有一个“读状态”操作来判断数据是否正确写入，所以，我们把写入和读状态操作放在一起来进行说明，操作示意图如下：

Program & Read Status Operation

其操作时序图如下：

PAGE PROGRAM OPERATION

BLOCK ERASE

在NAND Flash中，擦除是以BLOCK为单位的，我们称之为“块擦除”，她是正确写入数据的前提。因为每次写入时我们都必须保证写入单元为FF，否则将不能把原来为“0”的

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bit改写为“1”。“块擦除”完成后也需要有一个“读状态”操作来判断擦除是否完成。操作示意图如下：

Block Erase Operation

操作时序如下：

BLOCK ERASE OPERATION(ERASE ONE BLOCK)

READ ID

读ID，顾名思义，就是读出该芯片的信息。操作示意图如下：

操作时序图如下：

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MANUFACTURE & DEVICE ID READ OPERATION

RESET

RESET操作可以用来中断一些操作，但在一般操作中，我们不建议这么做。RESET操作其实很少用到，所以我们只在下面给出其操作示意图：

RESET Operation

以上我们对一般FLASH的七种基本操作做了说明。下面就结合各个具体型号对其所具有的特色操作作以总结：

由第一部分我们比较的结果可以发现：

32Mbit、64Mbit、128Mbit、256Mbit只具有七项基本操作； 512Mbit基本具有了“大容量”FLASH的一些特性，算是一种过渡。由于其具有了“Copy Back”特性，和“PLANE”结构，所以他有比以前容量更灵活和强大的操作。

1Gbit、2Gbit、4Gbit这些都是“大容量”FLASH，由于PAGE大小的改变，并且新增了CACHE REGISTER，所以，“大容量”FLASH不支持READ1,READ2，只有READ功能，但是可以灵活地读出一段数据。另外，她还增加了五条功能十分强大的操作，这些我们将详细介绍他们。

我们下面就总结一下512Mbit FLASH的特性：

为了更好地理解她的特性，我们先介绍一下“PLANE”的概念。这款芯片把存储单元分为四个128Mbit的“存储平面”，每个“存储平面”包括1024个BLOCK和528Byte的页寄存器。这样，每个“存储平面”就可以独立地完成类似页操作的功能，其地址映射情况如下：

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Memory Array Map

好了，我们现在就看看跟Plane有关的操作：

Multi-Plane Page Program Operation：就是在四个Plane内进行Program操作，这样可省去大量的写入等待时间。因为数据其实是先写入到了各个Plane的寄存器。但是主要由于芯片本身只有四个Plane，所以每次Multi-Plane Page Program Operation不能超过四次。这个操作其实与“大容量”中Cahce操作是相同的。下面给出操作示意图和时序图：

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Four-Plane Page Program

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Multi-Plane Page Program Operation

Multi-Plane Block Erase Operation：

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Multi-Plane Block Erase Operation

Copy-Back Program Operation：这个操作是一个很有用的操作，她可以明显提高写入速度，尤其是在搬移数据时效果更明显。因为她只要给出两个地址就可以不用去理会了，具体操作硬件自动完成。其操作时序如下：

Copy-Back Program Operation：该操作仅限于在同一个Plane内进行。

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Copy-Back Program Operation

下面我们主要讨论有关“大容量”Flash的操作： Page Program Operation Random Data Input：

利用这个操作我们就可以把Page操作任意划分。也就是说如果U盘控制器硬件支持的话，我们也可以利用大容量Flash。

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Cache Program Operation：

同样，这个操作也仅限于在一个Block内进行。

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以上介绍的是SAMSUNG的NAND Flash操作时序，下面就把其交流参数列表如下： 注意：不同系列的FLASH，参数不太相同，我们要根据需要支持的FLASH的型号来确定我们需要满足的时序特性。

AC Timing Characteristics for Command / Address / Data Input

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AC Characteristics for Operation

下面我们主要讨论一下TOSHIBA NAND Flash的情况。

主要型号有64Mbit、128Mbit、256Mbit、512Mbit、1Gbit、2Gbit。同样我们把1Gbit、2Gbit的叫做“大容量”。由于TOSHIBA，与SAMSUNG的FLASH在性能上基本相同，只是在“大容量”时，TOSHIBA明显落后于SAMSUNG，少了很多特性，例如“Copy Back”操作和“Cache Program”操作。

64Mbit、128Mbit、256Mbit、512Mbit的Flash 的特性基本相似： ??Organization

- Data Register : (512 + 16) Byte

??Automatic Program and Erase - Page Program : (512 + 16)Byte

- Block Erase : (8K + 256)Byte/(16K + 512)Byte ??528-Byte Page Read Operation - Random Access : 25?s(Max.) - Serial Page Access : 50ns(Min.) ??Fast Write Cycle Time - Program time : 200?s(typ.) - Block Erase time : 2ms(typ.)

??Flash操作包括基本的八种操作：

Read1、Read2、Read3、Read ID、Reset、Page Program、Block Erase、Read Status 这里的Read1、Read2、Read3命令与SAMSUNG的Read1、Read2命令功能是相同的。但她的随机读周期要稍微长一些：25?s(Max.)，其他时间则基本相同。下面我们就每一个操作做详细的介绍！

时序示意图：

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Latch Timing Diagram for Command/Address/Data（example. 64Mbit）

Command Input Cycle Timing Diagram（example. 64Mbit）

Address Input Cycle Timing Diagram（example. 64Mbit）

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Data Input Cycle Timing Diagram（example. 64Mbit）

Serial Read Cycle Timing Diagram（example. 64Mbit）

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Status Read Cycle Timing Diagram（example. 64Mbit）

上面我们给出了各个操作的时序示意图，下面就各个参数进行说明！

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AC CHARACTERISTICS AND RECOMMENDED OPERATING CONDITIONS

(Ta _ 0° to 70°C, VCC _ 2.7 V to 3.6 V)

下面就各个操作的具体时序进行讨论：

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Read Cycle (1) Timing Diagram

Read Cycle (1) Timing Diagram: When Interrupted by CE

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Read Cycle (2) Timing Diagram

Read Cycle (3) Timing Diagram

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Sequential Read (1) Timing Diagram

Sequential Read (2) Timing Diagram

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Sequential Read (3) Timing Diagram

Auto-Program Operation Timing Diagram

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Auto Block Erase Timing Diagram

ID Read Operation Timing Diagram

同样，TOSHIBA的512Mbit Flash也是“大容量”的一种过渡类型。她也有她自身的一些特殊操作：“Multi Block Programming”、“ Multi Block Erase”。这些类似于SAMSUNG的“Multi Plane”的操作。其操作时序如下：

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Multi Block Programming Timing(to be continued)

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(continuation 1) Multi Block Programming Timing

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(continuation 2) Multi Block Programming Timing

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(continuation 3) Multi Block Programming Timing

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Multi Block Erase Timing Diagram

由上面的介绍，我们可以看出所有NAND Flash的特性基本相似：操作时序、操作特点还有相关的性能参数都相似。

下面我们要介绍的两个类型的Flash都是MLC（Multi Level Cell）结构的Flash。不过一种是NAND型，另一种是AND型。我们先来看TOSHIBA的MLC NAND Flash。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5pap.html