閃存的兩種架構(gòu)：NOR和NAND工作原理及應(yīng)用

電子產(chǎn)品因數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、內(nèi)部指令執(zhí)行、系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換等功能需要，往往在設(shè)計(jì)上有一定存儲(chǔ)空間的需求。單片機(jī)自身的存儲(chǔ)有時(shí)不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。因此，電子工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)采用各種閃存（Flash Memory）芯片。

NOR閃存和NAND閃存

嵌入式工程師或者電子工程師在選擇閃存時(shí)必須考慮很多因素：采用哪種類型的架構(gòu)（NOR或NAND）？是選擇串行接口（serial）還是并行接口（parallel）？是否需要糾錯(cuò)碼（ECC）？等等。如果處理器或控制器只支持一種類型的接口，選擇起來就相對(duì)容易。然而現(xiàn)實(shí)情況往往并非如此。這里我們先來認(rèn)識(shí)一下閃存的兩種架構(gòu)：NOR和NAND。

NOR架構(gòu)的布線和結(jié)構(gòu)如下圖所示。每個(gè)記憶單元互相獨(dú)立，都有一段直連到地，組成一個(gè)類似NOR閘（或稱“或非門”）的電路。當(dāng)兩個(gè)字線中有一個(gè)字線（Word Line）被拉低（0）時(shí)，相應(yīng)的位線（Bit Line）就會(huì)被拉高（1）。而想要位線被拉低，則需要兩個(gè)字線都拉低。

NOR Flash 閃存在硅上的布線和結(jié)構(gòu) (圖片來源：維基百科)

NAND架構(gòu)的布線和結(jié)構(gòu)如下圖所示。多個(gè)（通常是8個(gè)）記憶單元以類似NAND閘（或稱“與非門”）的方式彼此串聯(lián)。當(dāng)所有的字線都拉高（1）時(shí)，位線就被拉低（0）。

NAND Flash 閃存在硅上的布線和結(jié)構(gòu) (圖片來源：維基百科)

NOR閃存架構(gòu)提供了足夠的地址線來映射整個(gè)內(nèi)存范圍。這使其具有隨機(jī)訪問和讀取時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)，成為“代碼執(zhí)行”的理想選擇。NOR架構(gòu)另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在閃存的使用壽命內(nèi)每個(gè)儲(chǔ)存單元的好壞情況都是可知的。缺點(diǎn)包括單元尺寸較大，導(dǎo)致每比特成本較高，且寫入和擦除速度較慢。

相比之下，NAND架構(gòu)與NOR架構(gòu)相比，單元尺寸更小，寫入和擦除速度更高。缺點(diǎn)包括讀取速度較慢，且采用I/O映射型或間接接口，比較復(fù)雜，不允許隨機(jī)訪問。另一個(gè)主要缺點(diǎn)是存在壞塊。NAND Flash在出廠時(shí)通常有98%的單元正常工作，在產(chǎn)品的整個(gè)使用壽命中可能會(huì)發(fā)生額外的故障（壞塊），因此需要在器件內(nèi)部設(shè)置糾錯(cuò)碼（ECC）功能。

總結(jié)NOR架構(gòu)與NAND架構(gòu)的區(qū)別如下：

一般來說，對(duì)于需要較低容量、快速隨機(jī)讀取訪問和較高數(shù)據(jù)可靠性的應(yīng)用，如代碼執(zhí)行所需，NOR閃存是一個(gè)很好的選擇。比如，在物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，NOR閃存就可以應(yīng)用在很多設(shè)備上來存儲(chǔ)、運(yùn)行程序以讓產(chǎn)品更加智能。而NAND閃存則是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等應(yīng)用的理想選擇，因?yàn)檫@些應(yīng)用需要更高的內(nèi)存容量和更快的寫入和擦除操作，因此SSD等都是使用NAND閃存。

目前NOR閃存市場(chǎng)占有率排名靠前的有華邦（臺(tái)灣）、旺宏（臺(tái)灣）、兆易創(chuàng)新（中國大陸）、賽普拉斯（美國）、美光（美國）。行業(yè)內(nèi)主流NOR Flash產(chǎn)品的工藝節(jié)點(diǎn)仍為65nm。合肥恒爍半導(dǎo)體在2020年4月推出50nm高速低功耗產(chǎn)品，中國大陸半導(dǎo)體廠家已經(jīng)開始在NOR閃存的賽道奮起直追。而NAND 市場(chǎng)占有率主要集中在三星（韓國）、東芝（日本）、西部數(shù)據(jù)（美國）、美光（美國）、英特爾（美國）、SK海力士（韓國）等傳統(tǒng)大廠手上，國產(chǎn)廠商與之還存在一定技術(shù)差距。但也有好消息傳來：長(zhǎng)江存儲(chǔ)在2020年初宣布將跳過96層，直接量產(chǎn)128層閃存，惟具體時(shí)間表還沒有公布。

NOR閃存的電氣接口

NOR閃存剛問世時(shí)，采用的是帶有并行地址和數(shù)據(jù)總線的并行接口。隨著密度的增長(zhǎng)，并行接口的信號(hào)數(shù)逐漸提高，使得電路設(shè)計(jì)變得更加困難。在這種情況下NOR閃存的接口開始向串行發(fā)展，但相較并行接口其性能受到一定的影響。下面討論幾種采用不同接口方式的NOR閃存。

并行NOR閃存的電氣接口

顧名思義，并行NOR閃存使用類似SRAM的并行地址和數(shù)據(jù)總線與存儲(chǔ)器控制器進(jìn)行接口。市場(chǎng)上的并行NOR Flash器件一般支持8位（8-bit）或16位（16-bit）數(shù)據(jù)總線。地址總線的寬度取決于Flash的容量。地址總線的寬度可以用以下公式計(jì)算：

總線寬度 = log2?(以bit計(jì)的總?cè)萘?/ 以bit計(jì)的數(shù)據(jù)總線寬度)

根據(jù)此公式我們可以算出具有16位數(shù)據(jù)總線的2-Gbit（256MB）NOR閃存將有27條地址線。一個(gè)256MB的內(nèi)存如果使用并行接口的話，算上片選、重置等腳位后將會(huì)有30多個(gè)電氣接口，給電路設(shè)計(jì)帶來很大的難度。

我們?cè)賮砜纯闯说刂肪€以外并行接口還需要哪些信號(hào)：

并行NOR閃存的接口方式(圖片來源：賽普拉斯)

不難看出并行NOR閃存使用的接口數(shù)會(huì)非常多，給電路設(shè)計(jì)帶來很大困難。因此目前大多數(shù)的NOR閃存都采用了串行接口。

串行NOR閃存的電氣接口

串行接口的接口數(shù)量大大減少，可以實(shí)現(xiàn)更小的器件封裝和更簡(jiǎn)單的PCB布線。缺點(diǎn)是犧牲了NOR閃存的主要優(yōu)勢(shì)之一，即直接隨機(jī)存儲(chǔ)訪問。

串行NOR閃存通常使用串行外設(shè)接口(標(biāo)準(zhǔn)SPI)協(xié)議與存儲(chǔ)器控制器連接。為了實(shí)現(xiàn)更高的速度，可以使用雙SPI(Dual SPI)和四SPI(QUAD SPI)接口。

標(biāo)準(zhǔn)SPI通常就稱SPI，它是一種串行外設(shè)接口規(guī)范，有4根引腳信號(hào)：CLK, CS, MOSI, MISO。而Dual SPI只是針對(duì)閃存的SPI接口而言，不是針對(duì)所有SPI外設(shè)。對(duì)于閃存的SPI鏈接，全雙工模式并不常用，因此Dual SPI擴(kuò)展了MOSI和MISO的用法，讓它們工作在半雙工，以加倍數(shù)據(jù)傳輸。也就是對(duì)于閃存的Dual SPI，可以發(fā)送一個(gè)命令字節(jié)進(jìn)入Dual模式，這樣MOSI變成SIO0，MISO變成SIO1，一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)就能傳輸2個(gè)bit數(shù)據(jù)。而Qual SPI與Dual SPI類似，再增加了兩根I/O線（SIO2, SIO3），可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)傳輸4個(gè)bit。

我們以合肥恒爍半導(dǎo)體出品的32M-bit(4MB) NOR閃存ZB25VQ32B為例：

Datasheet of ZB25VQ32B(ZBIT Semi)

從ZB25VQ32B的規(guī)格書我們可以看到，在數(shù)據(jù)傳輸方式上，該NOR閃存同時(shí)支持Standard SPI、Dual SPI和Quad SPI三種方式。得益于串行接口，ZB25VQ32B的封裝采用SOP-8(5.3mm x 7.9mm)和DFN-8(3mm x 4mm)這種8個(gè)管腳的小型封裝，大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

ZB25VQ32B的管腳與封裝

ZB25VQ32B的管腳說明如下：

ZB25VQ32B 管腳及說明

串行NOR閃存的接口方式(圖片來源：賽普拉斯)

跟并行傳輸每個(gè)時(shí)鐘周期可以傳輸8或者16個(gè)bit數(shù)據(jù)比，串行接口的傳輸速率低了很多（每個(gè)時(shí)鐘至多4bit），但是這是硬件設(shè)計(jì)上的必要妥協(xié)。市面上大多數(shù)的串行NOR閃存在不同廠商之間都是兼容封裝的，因此即使在設(shè)計(jì)階段完成后，也可以很容易地更換器件。這使得開發(fā)人員不僅可以在不同廠商之間進(jìn)行更換，還可以遷移到其他更大或更小容量的NOR閃存器件上，而不必完全重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)。以合肥恒爍半導(dǎo)體3V ZB25系列NOR閃存為例，以下不同容量的閃存之間都采用了相同的封裝，電子工程師可以根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要選擇合適的產(chǎn)品：

8MBit, ZB25VQ80

16MBit, ZB25VQ16

32MBit, ZB25VQ32

128MBit, ZB25VQ128

等等

NOR閃存應(yīng)用的電路原理圖

以ZB25VQ32這類SOP-8封裝的NOR閃存為例：

C1 = 100nF, R1 = 50Ω, R2 = 10KΩ, R3 = 100KΩ

編輯：黃飛

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