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Flash 存储器的结构与原理

Flash 存储器又称为快闪存储器或闪烁存储器,是只读存储器的一种,因其容量大,价格低,电可擦除,电可编程因此获得了广发应用。如SSD硬盘,U盘,照相机存储器,手机内部固件存储器及数据存储器等。下面就Flash Memory 的结构、原理及分类进行介绍

1. 快闪存储器结构

快闪存储器存储单元的MOS管结构与SIMOS(Stacked gate Injection MOS)管组成的EPROM结构类似,如图1所示。

但二者又有两点不同,一是快闪存储器存储单元MOS管的源极N+区大于漏极N+区,而SIMOS管的源极N+区和漏极N+区是对称的;二是浮栅到P型衬底间的氧化绝缘层比SIMOS管的更薄。这样,可以通过在源极上加一正电压,使浮栅放电,从而擦除写入的数据。

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图1 Flash EPROM存储单元结构

由于快闪存储器中存储单元MOS管的源极是连接在一起的,所以不能象E2PROM那样按字擦除,而是类似EPROM那样整片擦除或分块擦除。整片擦除只需要几秒钟,不像EPROM那样需要照射15到20分钟。快闪存储器中数据的擦除和写入是分开进行的。快闪存储器数据写入方式与EPROM相同,需输入一个较高的电压,因此要为芯片提供两组电源,一组电源为正常使用电源,另一种为编程电源,但随着技术的发展,Flash memory在器件内部集成了升压电路,因此在供电时只需一套正常的工作电压即可。一个字的写入时间约为200微秒,一般可以擦除/写入1000次以上,目前FLASH存储器的擦写都在10000次左右。有的可以达到10万次。数据写入后在FLASH内可以保存10-100年,具体需参照对应的芯片的使用手册。

2. Flash 存储器的分类

Flash 存储器又分为NOR flash 和NAND Flash两种。Intel于1988年首先开发出NOR Flash 技术,彻底改变了原先由EPROM(Erasable Programmable Read-Only-Memory电可编程序只读存储器)和EEPROM(电可擦只读存储器Electrically Erasable Programmable Read – Only Memory)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,有更高的性能,并且像磁盘一样可以通过接口轻松升级。NOR Flash与NAND FLASH相比各有特点,总结如下,

  • NOR FLASH 存储器

NOR Flash 的特点是芯片内执行(XIP ,eXecute In Place),这样应用程序可以直接在闪存(Flash memory) 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到它的性能。

  • NAND FLASH 存储器

NAND的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的管理需要特殊的系统接口。通常读取NOR Flash的速度比NAND Flash快,而NAND的写入速度比NOR快很多,在设计中应该考虑这些情况。——《ARM嵌入式Linux系统开发从入门到精通》 李亚峰 欧文盛 等编著 清华大学出版社 P52

  • 数据反转

FLASH存储器都存在数据反转的情况,因次写入的数据在读出的时候会发生错误,而且该错误是永久的,特别是NAND FLASH尤其严重,因次在NAND FLASH 使用时往往会加上校验,NAND FLSAH的存储结构也由此发生了变化。本节后续内容会有详细解释。

3. NOR Flash 与NAND Flash 存储器内部结构

NOR Flash 与NAND Flash 存储器内部如图2所示,图2中左边为NOR Flash 的结构示意图,由于位线上的MOS管的源极都连接到一起,可以接地,也可以解电源(擦除电压),这些MOS管组成的电路为或非门电路,因此称为NOR FLASH Memory。 图2的右边为NAND Flash存储器的结构示意图,位线的MOS处于串联状态,字线逻辑相当于与非门,因此称为NAND Flash Memory。

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图2 NOR Flash 与NAND Flash 存储器内部示意图

4. Flash存储器的擦除与编程:

Flash 存储器在擦除(erase)和编程(program or write) 示意图,如图2所示;

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图2 Flash EPROM存储器编程擦除示意图

Flash 存储器在擦除(erase)和编程(program or write) 时分为两种情况:

(1)一种是整片擦除,整片编程;

(2)另一种是按照扇区(Sector)的方式进行操作。即扇区擦除,扇区写。

更多的内容结合具体实例在后续课程中介绍。

 

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