讲稿flash存储器.docx
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讲稿flash存储器
什么是Flash存储器?
简介
Flash存储器又称闪存,它结合了ROM和RAM的长处,不仅具备电子可擦除可编程(EEPROM)的性能,还不会断电丢失数据同时可以快速读取数据(NVRAM的优势),U盘和MP3里用的就是这种存储器。
在过去的20年里,嵌入式系统一直使用ROM(EPROM)作为它们的存储设备,然而近年来Flash全面代替了ROM(EPROM)在嵌入式系统中的地位,用作存储Bootloader以及操作系统或者程序代码或者直接当硬盘使用(U盘)。
Flash的操作
Flash是由一组可独立擦除的1KB区块所构成的,对一个区块进行擦除将使该区块的全部内容复位为1。
右面这幅图是Flash存储器的简单示意图,此图形象的体现了Flash存储器是由1KB区块构成,而且每个区块的基地址都固定的,如图2所示
对Flash存储器的操作一般是进行读、写和擦除。
Flash存储器的擦除必须是以1KB为单位对齐的地址并指定哪一区块被擦除,或者全部擦除。
Flash存储器的编程写入的地址必须以字(4个字节)为单位对齐,且指明要写入的具体地址。
也就是说可以是任意地址,但必须满足写入的地址是字对齐的。
Flash存储器的读取也可以是任意地址的数据,但必须满足读取的地址是字对齐的,否则,读出的数据绝对不正确,结果也难以预料。
Flash存储器的擦除必须是以1KB为单位对齐的地址并指定哪一区块被擦除,或者全部擦除。
也就是说以区块是flash擦除的最小单位。
Flash存储器的发展
1957年,受雇于索尼公司的江崎玲於奈(LeoEsaki,1940~)在改良高频晶体管2T7的过程中发现,当增加PN结两端的电压时电流反而减少,江崎玲於奈将这种反常的负电阻现象解释为隧道效应。
此后,江崎利用这一效应制成了隧道二极管(也称江崎二极管)。
在此之前的1956年出现的“库珀对”及BCS理论被公认为是对超导现象的完美解释,
1960年,美裔挪威籍科学家加埃沃(Ivan Giaever,1929~)通过实验证明了在超导体隧道结中存在单电子隧道效应。
单电子隧道效应无疑是对超导理论的一个重要补充。
1962年,年仅22岁的英国剑桥大学实验物理学研究生约瑟夫森(BrianDavidJosephson,1940~)预言,当两个超导体之间设置一个绝缘薄层构成SIS(Superconductor-Insulator-Superconductor)时,电子可以穿过绝缘体从一个超导体到达另一个超导体。
约瑟夫森的这一预言不久就为P.W.安德森和J.M.罗厄耳的实验观测所证实——电子对通过两块超导金属间的薄绝缘层(厚度约为10埃)时发生了隧道效应,于是称之为“约瑟夫森效应”。
宏观量子隧道效应确立了微电子器件进一步微型化的极限,当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。
例如,在制造半导体集成电路时,当电路的尺寸接近电子波长时,电子就通过隧道效应而穿透绝缘层,使器件无法正常工作。
因此,宏观量子隧道效应已成为微电子学、光电子学中的重要理论。
Flash存储器的工作原理
Flash芯片并不是像光盘那样把信息刻上去的。
为了更加清楚地说明,我首先让你知道计算机的信息是怎样储存的。
计算机用的是二进制,也就是0与1。
在二进制中,0与1可以组成任何数。
而电脑的器件都有两种状态,可以表示0与1。
比如三极管的断电与通电,磁性物质的已被磁化与未被磁化,物质平面的凹与凸,都可以表示0与1。
硬盘就是采用磁性物质记录信息的,磁盘上的磁性物质被磁化了就表示1,未被磁化就表示0,因为磁性在断电后不会丧失,所以磁盘断电后依然能保存数据。
而内存的储存形式则不同,内存不是用磁性物质,而是用RAM芯片。
现在请你在一张纸上画一个“田”,就是画一个正方形再平均分成四份,这个“田”字就是一个内存,这样,“田”里面的四个空格就是内存的储存空间了,这个储存空间极小极小,只能储存电子。
。
好,内存现在开始工作。
内存通电后,如果我要把“1010”这个信息保存在内存(现在画的“田”字)中,那么电子就会进入内存的储存空间里。
“田”字的第一个空格你画一点东西表示电子,第二个空格不用画东西,第三个空格又画东西表示电子,第四个格不画东西。
这样,“田”的第一格有电子,表示1,第二格没有,表示0,第三格有电子,表示1,第四格没有,表示0,内存就是这样把“1010”这个数据保存好了。
电子是运动没有规律的物质,必须有一个电源才能规则地运动,内存通电时它很安守地在内存的储存空间里,一旦内存断电,电子失去了电源,就会露出它乱杂无章的本分,逃离出内存的空间去,所以,内存断电就不能保存数据了。
再看看U盘,U盘里的储存芯片是Flash芯片,它与RAM芯片的工作原理相似但不同。
现在你在纸上再画一个“田”字,这次要在四个空格中各画一个顶格的圆圈,这个圆圈不是表示电子,而是表示一种物质。
好,Flash芯片工作通电了,这次也是保存“1010”这个数据。
电子进入了“田”的第一个空格,也就是芯片的储存空间。
电子把里面的物质改变了性质,为了表示这个物质改变了性质,你可以把“田”内的第一个圆圈涂上颜色。
由于数据“1010”的第二位数是0,所以Flash芯片的第二个空间没有电子,自然里面那个物质就不会改变了。
第三位数是1,所以“田”的第三个空格通电,第四个不通电。
现在你画的“田”字,第一个空格的物质涂上了颜色,表示这个物质改变了性质,表示1,第二个没有涂颜色,表示0,以此类推。
当Flash芯片断电后,物质的性质不会改变了,除非你通电擦除。
当Flash芯片通电查看储存的信息时,电子就会进入储存空间再反馈信息,电脑就知道芯片里面的物质有没有改变。
就是这样,RAM芯片断电后数据会丢失,Flash芯片断电后数据不会丢失,但是RAM的读取数据速度远远快于Flash芯片。
当Flash芯片通电查看储存的信息时,电子就会进入储存空间再反馈信息,电脑就知道芯片里面的物质有没有改变。
就是这样,RAM芯片断电后数据会丢失,Flash芯片断电后数据不会丢失,但是RAM的读取数据速度远远快于Flash芯片。
Flash存储器的分类
NOR和NAND是市场上两种主要的非易失闪存技术。
Intel于1988年首先开发出NORflash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NANDflash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。
NAND闪存的存储单元则采用串行结构,存储单元的读写是以页和块为单位来进行(一页包含若干字节,若干页则组成储存块,NAND的存储块大小为8到32KB),这种结构最大的优点在于容量可以做得很大,超过512MB容量的NAND产品相当普遍,NAND闪存的成本较低,有利于大规模普及。
NAND闪存的缺点在于读速度较慢,它的I/O端口只有8个,比NOR要少多了。
这区区8个I/O端口只能以信号轮流传送的方式完成数据的传送,速度要比NOR闪存的并行传输模式慢得多。
再加上NAND闪存的逻辑为电子盘模块结构,内部不存在专门的存储控制器,一旦出现数据坏块将无法修,可靠性较NOR闪存要差。
Flash存储器的应用
•NAND闪存被广泛用于移动存储、MP3播放器、数码相机、掌上电脑等新兴数字设备中。
由于受到数码设备强劲发展的带动,NAND闪存一直呈现指数级的超高速增长。
•“flash存储器”经常可以与“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,eXecuteInPlace),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,并且写入和擦除的速度也很快。
应用NAND的困难在于flash的管理和需要特殊的系统接口。
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