Nand Flash和Nor Flash存儲器簡介及其區(qū)別

Flash是存儲芯片的一種，在電子及半導(dǎo)體領(lǐng)域內(nèi)表示為Flsah Memory，全稱為Flash EEPROM Memeory，即我們平時說的“閃存”。它結(jié)合了ROM和RAM的優(yōu)點，具備電子可擦除可編程（EEPROM）的性能，能夠在操作中被多次擦或?qū)?，還可以快速的讀取數(shù)據(jù)（NVRAM的優(yōu)點），使數(shù)據(jù)不會在斷電時丟失。

Flash閃存是一種非易失性存儲，在沒有電流供應(yīng)的條件下也能夠長久地保持?jǐn)?shù)據(jù)，其存儲特性相當(dāng)于硬盤。近年來，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的發(fā)展，閃存技術(shù)的特性使其相對于許多計算機(jī)技術(shù)而言發(fā)展得更迅猛。

Flash按照內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu)的不同，可以分為兩種：Nor Flash和Nand Flash。Nor Flash，通常容量較小，主要用于存儲代碼；Nand Flash，容量較大，主要用于存儲資料，如數(shù)碼相機(jī)中所用的記憶卡。

簡單來說，可概括為一張圖描述，“太長不看版”可參照下圖：

具體來說，這兩種存儲器有何區(qū)別呢？本文將闡述。

Nand Flash和Nor Flash存儲器簡介

1、Nand Flash存儲器簡介

NAND Flash是由東芝公司于1989年發(fā)布的，內(nèi)部采用線性宏單元模式，一個塊通常包括32頁，64頁，128頁，頁大小通常為512B，2KB，4KB，每個頁包含數(shù)據(jù)區(qū)和帶外區(qū)兩部分，數(shù)據(jù)區(qū)存儲用戶數(shù)據(jù)，帶外區(qū)存儲ECC(erro rcorrecting codes)，地址映射信息等用于Flash存儲管理的信息,，對應(yīng)的大小通常為512B，32B，2KB，64B , 4KB，128B。Nand Flash強(qiáng)調(diào)降低每比特的成本，更高的性能，并且像磁盤一樣可以通過接口輕松升級。Nand Flash沒有采取內(nèi)存的隨機(jī)讀取技術(shù)，它的讀取是以一次讀取一塊的形式來進(jìn)行的，通常是一次讀取512個字節(jié)，同時內(nèi)部采用非線性宏單元模式，為固態(tài)大容量內(nèi)存的實現(xiàn)提供了廉價有效的解決方案。

NAND技術(shù)的Flash Memory的特點：

1）NAND FLASH以頁為單位進(jìn)行讀和編程操作，1頁為256B或512B，因此NAND FLASH不用來直接運行程序，需將代碼下載到RAM中再運行。NAND FLASH以塊為單位進(jìn)行擦除操作，1塊為4KB、8KB或16KB；具有快編程和快擦除的功能，塊擦除時間是2ms，而NOR技術(shù)的塊擦除時間是幾百ms。

2）數(shù)據(jù)、地址采用同一總線，實現(xiàn)串行讀取，隨機(jī)讀取速度慢且不能按字節(jié)隨機(jī)編程。

3）芯片尺寸小，成本低

4）芯片包含失效塊，其最大數(shù)目可達(dá)到3~35塊取決于存儲器密度。失效塊不會影響有效塊的性能。設(shè)計者需要將失效塊在地址映射表中屏蔽起來。

從存儲單元的角度考慮，NAND FLASH可分為SLC（Single Level Cell，單層單元）和MLC（Multi-Level Cell，多層單元）。SLC的特點是成本高、容量小、速度快，而MLC的特點是容量大、成本低，但是速度慢。MLC由于存儲單元中存放資料較多，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，出錯的概率增加，必須進(jìn)行錯誤修正，這個修正的動作使得MLC的性能大幅落后于SLC閃存。實際使用時，需要根據(jù)程序運行的機(jī)制及需求選擇合適的Flash存儲。Nand flash存儲器具有容量較大，改寫速度快等優(yōu)點，適用于大量數(shù)據(jù)的存儲，因而應(yīng)用越來越廣泛，如嵌入式產(chǎn)品中包括手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、U盤等。

2、Nor Flash存儲器簡介

NOR Flash是一種由Intel公司于1988年創(chuàng)建的非易失閃存技術(shù)。NOR技術(shù)（也稱Linear技術(shù)）源于傳統(tǒng)的EEPROM器件，Nor Flash的特點是芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP, eXecute In Place），其讀取和我們常見的SDRAM的隨機(jī)讀取形式類似，它將存儲單元組織為塊序列，能夠以字節(jié)為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問，以并行的方式連接存儲單元，具有分離的控制線、地址線和數(shù)據(jù)線，具有較快的讀速度，用戶可以直接運行裝載在 Nor Flash 里面的代碼，這樣可以減少SRAM的容量從而節(jié)約成本，且其傳輸效率很高，在1-4MB的小容量時具有很高的成本效益，所以一般小容量的存儲都選用NOR Flash會更為合適。但由于其寫操作和擦除操作的時間較長，容量低，價格高，所以目前多用于手機(jī)、BIOS芯片以及嵌入式系統(tǒng)中頁進(jìn)行代碼存儲。

NOR技術(shù)的Flash Memory具有以下特點。

1）程序和數(shù)據(jù)可存放在同一芯片，擁有獨立的數(shù)據(jù)總線和地址總線，能快速隨機(jī)讀取，允許系統(tǒng)直接從Flash中讀取代碼執(zhí)行，無須先將代碼下載至RAM中再執(zhí)行。

2）可以單字節(jié)或單字編程，但不能單字節(jié)擦除，必須以塊為單位或整片擦除，由于采用NOR技術(shù)的Flash Memory擦除和編程速度較慢，在純數(shù)據(jù)存儲和文件存儲的應(yīng)用中，NOR技術(shù)顯得力不從心。

Nand Flash和Nor Flash的區(qū)別

1、啟動方式不同

開發(fā)板上電啟動時，Nand Flash會先把Nand Flash中前4K內(nèi)容自動拷貝到片內(nèi)內(nèi)存（SRAM）中去，然后CPU從SRAM的0地址開始執(zhí)行程序。用戶不能直接運行Nand Flash上的代碼，因此多數(shù)使用Nand Flash的開發(fā)板除了使用Nand Flash以外，還用上了一塊小的Nor Flash來運行啟動代碼。

Nor Flash在啟動時直接從0地址開始運行，CPU從Nor Flash的0地址開始執(zhí)行程序。

2、接口差別

Nand Flash是I/O串行接口，通過8個引腳用來傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信息，各個產(chǎn)品或廠商的方法可能各不相同。讀和寫操作采用512字節(jié)的塊，這一點有點像硬盤管理此類操作，所以基于NAND的存儲器就可以取代硬盤或其他塊設(shè)備。

Nor Flash帶有SRAM接口，可以輕松地掛接在CPU的地址、數(shù)據(jù)總線上，對CPU的接口要求低；有足夠的地址引腳來尋址，可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個字節(jié)。但不同容量的NorFlash的地址線需求不一樣，Nor Flash芯片容量升級不便。

3、Nand Flash和Nor Flash的性能比較

Nand Flash和Nor Flash均為非易失存儲器，可以對稱為塊的存儲器單元塊進(jìn)行擦寫和再編程。寫入操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進(jìn)行，所以大多數(shù)寫入操作需要先進(jìn)行擦除操作。但在性能上有以下差別：

1）讀取數(shù)據(jù)時，Nand Flash 首先需要進(jìn)行多次地址尋址，然后才能訪問數(shù)據(jù)；而 Nor Flash是直接進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取訪問，因此NOR的讀速度比NAND稍快一些。

2）NAND器件執(zhí)行擦除操作簡單，而NOR則要求在進(jìn)行擦除前先要將目標(biāo)塊內(nèi)所有的位都寫為0。同時，NAND的擦除單元更小，相應(yīng)的擦除電路更少，因此NAND的擦除速度遠(yuǎn)比NOR的快很多。

3）NAND寫入單元小，寫入速度比NOR快很多。

4、容量和成本對比

Nand Flash的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半，由于生產(chǎn)過程更為簡單，NAND結(jié)構(gòu)可以在給定的模具尺寸內(nèi)提供更高的容量，因此相同容量下，NAND器件的成本比NOR低。

5、能耗不同

NOR閃存在初始上電期間通常需要比NAND閃存更多的電流。但是，Nor Flash的待機(jī)電流遠(yuǎn)低于Nand Flash。兩者的瞬時有功功率相當(dāng)，因此，有效功率由存儲器活動的持續(xù)時間決定。Nor Flash在隨機(jī)讀取方面具有優(yōu)勢，而Nand Flash在擦除、寫入和順序讀取操作中消耗的功率相對較低。

6、Nand Flash和Nor Flash的壽命(耐用性)

在NAND閃存中每個塊的最大擦寫次數(shù)是一百萬次，而NOR的擦寫次數(shù)是十萬次。NAND存儲器除了具有10比1的塊擦除周期優(yōu)勢，典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8倍，每個NAND存儲器塊在給定的時間內(nèi)的刪除次數(shù)要少一些，nand器件的耐用性強(qiáng)于nor。

7、可靠性對比

在Flash的位翻轉(zhuǎn)（一個bit位發(fā)生翻轉(zhuǎn)）現(xiàn)象上，NAND的出現(xiàn)幾率要比Nor Flash大得多。這個問題在Flash存儲關(guān)鍵文件時是致命的，所以在使用Nand Flash時建議同時使用EDC/ECC等校驗算法，提高可靠性。

NAND器件中的壞塊是隨機(jī)分布的，需要對介質(zhì)進(jìn)行初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊，并將壞塊標(biāo)記為不可用。在已制成的器件中，如果通過可靠的方法不能進(jìn)行這項處理，將導(dǎo)致高故障率。而壞塊問題在Nor Flash上是不存在的。

8、軟件支持

當(dāng)討論軟件支持的時候，應(yīng)該區(qū)別基本的讀/寫/擦操作和高一級的用于磁盤仿真和閃存管理算法的軟件，包括性能優(yōu)化。

在NOR器件上運行代碼不需要任何的軟件支持，在NAND器件上進(jìn)行同樣操作時，通常需要驅(qū)動程序，也就是內(nèi)存技術(shù)驅(qū)動程序(MTD)，NAND和NOR器件在進(jìn)行寫入和擦除操作時都需要MTD。

使用NOR器件時所需要的MTD要相對少一些，許多廠商都提供用于NOR器件的更高級軟件，這其中包括M-System的TrueFFS驅(qū)動，該驅(qū)動被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等廠商所采用。

9、其他作用

驅(qū)動還用于對DiskOnChip產(chǎn)品進(jìn)行仿真和NAND閃存的管理，包括糾錯、壞塊處理和損耗平衡。

什么是SPI NAND FLASH

在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，作為存儲設(shè)備的NOR Flash和NAND Flash，大家應(yīng)該不陌生。早期NOR Flash的接口是并行口的形式，也就是把數(shù)據(jù)線，地址線并排設(shè)置在IC的管腳中。但是由于不同容量的并行口NOR Flash不能硬件上兼容（數(shù)據(jù)線和地址線的數(shù)量不一樣）,并且封裝大，占用PCB板的位置較大，逐漸被SPI（串行接口）的 NOR Flash所取代。

SPI NOR Flash可以做到不同容量的 NOR Flash管腳兼容，且采用了更小的封裝形式（SOP8較為典型），很快取代了并行接口的NOR Flash成為市場主流。以至于現(xiàn)在很多人說起NOR Flash都直接以SPI Flash來代稱。

而NAND Flash由于采用了地址數(shù)據(jù)線復(fù)用的方式，并且統(tǒng)一了接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（x 8 bit or x 16 bit），從而在不同容量的兼容性上面基本沒有問題，所以這類封裝及接口形式沿用了很多年。近些年隨著產(chǎn)品小型化的需求越來越強(qiáng)烈，并且對方案成本的要求越來越高，SPI NAND Flash逐漸出圈。

SPI NAND Flash方案的主控（MCU）內(nèi)可以不需要帶有傳統(tǒng)NAND的控制器，只需要有SPI的接口，再加入內(nèi)置ECC，這樣可以減少主控的成本，以及省掉MCU做為硬件或軟件ECC的功能。

另外，SPI NAND Flash的封裝形式多采用 WSON、TFBGA等封裝，尺寸比傳統(tǒng)的NAND Flash TSOP的封裝要小很多，充分節(jié)省了PCB板的空間，較少的管腳數(shù)量，從而可以減小PCB的尺寸及層數(shù)，既滿足了市場小型化的需求也降低了產(chǎn)品的成本。

1、SPI NAND Flash和SPI NOR Flash區(qū)別

SPI NAND Flash和SPI NOR Flash可以統(tǒng)稱為SPI Flash，即一種使用SPI通信的Flash，不同之處在于NAND和NOR的本質(zhì)區(qū)別。

通俗來講，NOR Flash像內(nèi)存，通常用于存儲程序代碼并直接在閃存內(nèi)運行，NAND Flash是閃存，相較于市面上手機(jī)、PC等主流的嵌入式eMMC、SSD采用的TLC，SLC在可靠性和壽命方面優(yōu)勢突出，但容量較小。SLC NAND基于串行SPI接口，引腳少、封裝尺寸小，在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域需求不斷增加。

2、SPI NAND Flash應(yīng)用領(lǐng)域

如今各類電子設(shè)備的功能日趨復(fù)雜，在新興的緊湊型應(yīng)用中都需要安裝嵌入式操作系統(tǒng)，對存儲容量的需求在不斷提升。NAND比NOR有更快的寫入速度，且對于頻繁擦寫有著更高的穩(wěn)定性，目前SPI NAND Flash在智能穿戴、機(jī)頂盒、路由器、PON、網(wǎng)通模塊、物聯(lián)網(wǎng)、汽車等領(lǐng)域逐步普及。

市場應(yīng)用

1、Nand Flash市場應(yīng)用

從應(yīng)用形態(tài)上看，Nand Flash的具體產(chǎn)品包括USB（U盤）、閃存卡、SSD（固態(tài)硬盤），以及嵌入式存儲（eMMC、eMCP、UFS）等。USB屬于常見的移動存儲設(shè)備，閃存卡則用于常見電子設(shè)備的外設(shè)存儲，如相機(jī)、行車記錄儀、玩具等。

SSD即常見的固態(tài)硬盤，一般應(yīng)用于個人計算機(jī)、服務(wù)器等領(lǐng)域。SSD作為新興的大容量存儲設(shè)備，具有磁盤（傳統(tǒng)HDD硬盤）所不具備的優(yōu)點，前些年由于SSD高昂的價格，只攻占了磁盤的少部分領(lǐng)域。由于近年SSD價格下降，以及數(shù)據(jù)中心的迅速擴(kuò)張，數(shù)據(jù)存儲的需求也在不斷上升，因此由SSD驅(qū)動的Nand Flash的需求增速也較為迅速。

嵌入式存儲是Nand Flash應(yīng)用的另一大領(lǐng)域。其特征是將Nand Flash存儲芯片與控制芯片封裝在一起，控制芯片采用特定的通訊協(xié)議，可提升存儲數(shù)據(jù)通訊的速度與穩(wěn)定性。

嵌入式Nand Flash存儲廣泛應(yīng)用于手機(jī)、平板電腦、游戲機(jī)、車載電子等需求高容量存儲的新興領(lǐng)域，該手機(jī)主板采用的是eMMC。與計算機(jī)相同，手機(jī)同樣需要處理器、DRAM和Nand Flash，區(qū)別在于其產(chǎn)品的最終形態(tài)不同，計算機(jī)內(nèi)部的形態(tài)為CPU+內(nèi)存條+硬盤，而手機(jī)則采用eMMC或eMCP兩種形式：“處理器+eMCP”或“集成了LPDDR的處理器+eMMC”。

2、Nor Flash市場應(yīng)用

嵌入式存儲是Nor Flash的主要應(yīng)用領(lǐng)域，基于其讀寫速度快、可靠性高、成本高、可芯片內(nèi)執(zhí)行程序的特點，多用來存儲少量代碼、程序、操作系統(tǒng)等重要信息。

近幾年，Nor Flash市場飛速增長，該增速主要得益于汽車電子和物聯(lián)網(wǎng)、5G和智能手機(jī)及其周邊（如TWS耳機(jī)和可穿戴式設(shè)備）等需求的推動。

隨著智能產(chǎn)品需要實現(xiàn)的功能越來越多，為了存儲更多固件和代碼程序，則選擇通過外擴(kuò)一顆甚至更多的Nor Flash來實現(xiàn)。

應(yīng)用場景有：

1）智能手機(jī)及周邊設(shè)備：OLED屏是有機(jī)屏幕，它內(nèi)部需要一個補(bǔ)償算法，該算法存儲在Flash里面；另外還有TDDI屏以及屏下指紋的模組，它們都需要一個Flash來存儲驅(qū)動和算法。

2）物聯(lián)網(wǎng)：伴隨著5G基站的高密度布局，萬物互聯(lián)時代的數(shù)據(jù)流源源不斷，人與人之間、人與設(shè)備之間、人與云端服務(wù)器之間、設(shè)備與設(shè)備之間的各種數(shù)據(jù)交互都會產(chǎn)生海量的IoT節(jié)點，且這些節(jié)點對應(yīng)的設(shè)備都會用到Nor Flash。比如，當(dāng)前最流行的TWS耳機(jī)需要內(nèi)置兩顆Nor Flash。

3）車載：小到車載攝像頭，大到高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS），車用子系統(tǒng)由于程序代碼量較大則會采用外部Nor Flash芯片，汽車儀表盤是通過Nor Flash來實現(xiàn)快速啟動的。

4）工業(yè)領(lǐng)域：例如新標(biāo)準(zhǔn)智能電表為延長數(shù)據(jù)量存儲期限，使用Nor Flash替代鐵電存儲。

5）5G、通訊設(shè)備：5G基站、微基站催生出了各種各樣的節(jié)點設(shè)備，5G 還加速推動了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛、邊緣計算的發(fā)展，這些應(yīng)用都離不開Nor Flash。

為電子產(chǎn)品選擇合適的存儲器類型頗具挑戰(zhàn)性。選擇適合應(yīng)用的存儲器時，工程師可以參考以下“技巧與訣竅”：

明確存儲器工作條件，例如：

預(yù)期擦/寫次數(shù)；

溫度、振動和輻射等環(huán)境條件和因素；

數(shù)據(jù)加載要求；

記錄應(yīng)用中存儲器正常工作的最小比特率、所需比特率和最大比特率；

選擇最接近記錄中所需比特率的存儲器接口類型；

對于汽車或航天系統(tǒng)等惡劣環(huán)境條件，須選擇通過汽車級鑒定或輻射耐受性較強(qiáng)的存儲器；

使用分線板將所選存儲器件連接至微控制器開發(fā)套件以測試其性能。

如今，可供工程師選擇的非易失性存儲器件種類繁多，可用于存儲各種數(shù)據(jù)，從應(yīng)用代碼到配置信息，不一而足。如上所述，工程師需仔細(xì)評估應(yīng)用需求，慎重選型Flash型號，以期取得這些需求與成本之間的平衡。