“Flash闪存”基础 及 “SD NAND Flash”产品的测试介绍

news2024/10/10 22:29:22

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一、“FLASH闪存”是什么？

1. 简介

2. 分类

3. 特点

4. 虚拟化

二、SD NAND Flash

1. 概述

2. 特点

3. 引脚分配

4. 数据传输模式

5. SD NAND寄存器

6. 通电图

7. 参考设计

三、STM32测试例程

1. 初始化

2. 单数据块测试

3. 多数据块测试

4. 状态缓冲

自带坏块管理的SD NAND Flash（贴片式TF卡），尺寸小巧，简单易用，兼容性强，稳定可靠，标准SDIO接口，兼容SPI，兼容拔插式TF卡/SD卡，可替代普通TF卡/SD卡，尺寸6.2x8mm毫米，内置平均读写算法，读取速度23.5MB/S写入速度12.3MB/S，标准的SD 2.0协议使得用户可以直接移植标准驱动代码，省去了驱动代码编程环节。

一、“FLASH闪存”是什么？

1. 简介

FLASH闪存是属于内存器件的一种，“Flash”。闪存则是一种非易失性（ Non-Volatile ）内存，在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘，这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础。

各类 DDR 、 SDRAM 或者 RDRAM 都属于挥发性内存，只要停止电流供应内存中的数据便无法保持，因此每次电脑开机都需要把数据重新载入内存。

闪存则是一种非易失性（ Non-Volatile ）内存，在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘，这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础。

2. 分类

NOR和NAND是市场上两种主要的非易失闪存技术。

在1984年，东芝公司的发明人舛冈富士雄首先提出了快速闪存存储器（此处简称闪存）的概念。与传统电脑内存不同，闪存的特点是NVM，其记录速度也非常快。

Intel是世界上第一个生产闪存并将其投放市场的公司。1988年，公司推出了一款256K bit闪存芯片。它如同鞋盒一样大小，并被内嵌于一个录音机里。後来，Intel发明的这类闪存被统称为NOR闪存。它结合EPROM和EEPROM两项技术，并拥有一个SRAM接口。

第二种闪存称为NAND闪存。它由日立公司于1989年研制，并被认为是NOR闪存的理想替代者。NAND闪存的写周期比NOR闪存短90%，它的保存与删除处理的速度也相对较快。NAND的存储单元只有NOR的一半，在更小的存储空间中NAND获得了更好的性能。鉴于NAND出色的表现，它常常被应用于诸如CompactFlash、SmartMedia、 SD、 MMC、 xD、 and PC cards、USB sticks等存储卡上。

NAND 闪存的存储单元采用串行结构，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。

3. 特点

性能

flash闪存是非易失存储器,可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行,所以大多数情况下,在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的,而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为1。

由于擦除NOR器件时是以64～128KB的块进行的,执行一个写入/擦除操作的时间为5s,与此相反,擦除NAND器件是以8～32KB的块进行的,执行相同的操作最多只需要4ms。

执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距,统计表明,对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时),更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样,当选择存储解决方案时,设计时必须权衡以下的各项因素。

● NOR的读速度比NAND稍快一些。

● NAND的写入速度比NOR快很多。

● NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。

● 大多数写入操作需要先进行擦除操作。

● NAND的擦除单元更小,相应的擦除电路更少。

可靠性

采用flash介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展MTBF的系统来说,Flash是非常合适的存储方案。可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可靠性。

耐用性

在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次,而NOR的擦写次数是十万次。NAND存储器除了具有10比1的块擦除周期优势,典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍,每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些。

易于使用

可以非常直接地使用基于NOR的闪存,可以像其他存储器那样连接,并可以在上面直接运行代码。

由于需要I/O接口,NAND要复杂得多。各种NAND器件的存取方法因厂家而异。

在使用NAND器件时,必须先写入驱动程序,才能继续执行其他操作。向NAND器件写入信息需要相当的技巧,因为设计师绝不能向坏块写入,这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。

其他作用

驱动还用于对DiskOnChip产品进行仿真和NAND闪存的管理,包括纠错、坏块处理和损耗平衡。

4. 虚拟化

FLASH闪存是一种内存技术，与RAM不同，在断电时它仍旧可以保留所存储的信息。尽管FLASH闪存在执行读写操作时并不像RAM那样快，但性能远远高于典型的硬盘。更为重要的是，FLASH闪存访问数据时几乎不存在任何时间延迟。FLASH闪存技术非常适合随机I/O，而虚拟服务器环境中恰恰存在大量的随机I/O。

对FLASH闪存主要的关注点之一是其执行写操作的方式。FLASH闪存可以执行的写操作次数有限，这意味着FLASH闪存厂商需要开发复杂的控制器技术，对写入FLASH闪存模块的方式进行管理，确保每个FLASH闪存单元接收相同的写请求。

目前有三种类型的FLASH闪存，耐久性各不相同。单阶存储单元（SLC）FLASH闪存在每个单元写一位数据，耐久性最好。多阶存储单元（MLC）FLASH闪存在每个单元写多位数据，耐久性排名第二。三阶存储单元（TLC）在每个单元写三位数据，耐久性最差。每个单元写入的数据位越多意味着每个单元的容量越高，每GB的成本越低，同样意味着平均寿命更短。

SLC是数据中心标准，但控制器技术的不断优化使得MLC被大多数用例所接受。尤其是在采用了某种方式的数据保护，比如镜像或者RAID或者使用了FLASH闪存层时。

二、SD NAND Flash

这里我以贴片式TF卡“CSNP32GCR01-AOW”型号为例介绍

1. 概述

CSNP32GCR01-AOW是基于NAND闪存和SD控制器的32Gb密度嵌入式存储。该产品与原始NAND相比，它有许多优点，包括嵌入式坏块管理和更强的嵌入式ECC。即使在异常断电的情况下，它仍然可以安全地保存数据。

2. 特点

接口：标准SD规范2.0版，带有1-I/O和4-I/O。

电源：Vcc=2.7V-3.6V

默认模式：可变时钟频率0-25 MHz，最高12.5 MB/秒接口速度（使用4条并行数据线）

高速模式：可变时钟频率0-50 MHz，最高25 MB/秒接口速度（使用4条并行数据线）

工作温度：-25°C至+85°C

储存温度：-40°C至+85°C

备用电流：<250uA

开关功能命令支持高速、电子商务和未来功能

内存字段错误的纠正

内容保护机制-符合SDMI标准的最高安全性。

SD NAND的密码保护（CMD42-锁定和解锁）

使用机械开关的写保护功能

内置写保护功能（永久和临时）

特定于应用程序的命令

3. 引脚分配

4. 数据传输模式

5. SD NAND寄存器

SDNAND接口中定义了六个寄存器：OCR、CID、CSD、RCA、DSR和SCR。这些信息只能通过

相应的命令。OCR、CID、CSD和SCR寄存器携带SDNAND/内容特定信息，而RCA、DSR寄存器是存储实际配置参数的配置寄存器(这里选取俩个寄存器进行展示)。

CID register

SCR register

6. 通电图

通电时间

7. 参考设计

Tips： RDAT和RCMD（10K~100 kΩ）是上拉电阻器，当SDNAND处于a状态时，保护CMD和DAT线路不受总线浮动的影响；在高阻抗模式，即使主机仅在SD模式下使用SDNAND作为1位模式，主机也应通过RDAT上拉所有DAT0-3线。它是建议VCC上有2.2uF电容。RCLK参考0~120Ω。

三、STM32测试例程

1. 初始化

SD_Error SD_Init(void)

{

  uint32_t i = 0;



  /*!< Initialize SD_SPI */

  GPIO_Configuration(); 



  /*!< SD chip select high */

  SD_CS_HIGH();



  /*!< Send dummy byte 0xFF, 10 times with CS high */

  /*!< Rise CS and MOSI for 80 clocks cycles */

  for (i = 0; i <= 9; i++)

  {

    /*!< Send dummy byte 0xFF */

    SD_WriteByte(SD_DUMMY_BYTE);

  } 

	

	//获取卡的类型,最多尝试10次

	i=0;

	do

	{		

		/*------------Put SD in SPI mode--------------*/

		/*!< SD initialized and set to SPI mode properly */

		SD_GoIdleState();



		/*Get card type*/

		SD_GetCardType();

		

	}while(SD_Type == SD_TYPE_NOT_SD && i++ >10);

	

	//不支持的卡

	if(SD_Type == SD_TYPE_NOT_SD)

		return SD_RESPONSE_FAILURE;

			

	return SD_GetCardInfo(&SDCardInfo);	

	

}

2. 单数据块测试

void SD_SingleBlockTest(void)

{  

  /*------------------- Block Read/Write --------------------------*/

  /* Fill the buffer to send */

  Fill_Buffer(Buffer_Block_Tx, BLOCK_SIZE, 0x320F);



  if (Status == SD_RESPONSE_NO_ERROR)

  {

    /* Write block of 512 bytes on address 0 */

    Status = SD_WriteBlock(Buffer_Block_Tx, 0x00, BLOCK_SIZE);

    /* Check if the Transfer is finished */

  }



  if (Status == SD_RESPONSE_NO_ERROR)

  {

    /* Read block of 512 bytes from address 0 */

    Status = SD_ReadBlock(Buffer_Block_Rx, 0x00, BLOCK_SIZE);



  }



  /* Check the correctness of written data */

  if (Status == SD_RESPONSE_NO_ERROR)

  {

    TransferStatus1 = Buffercmp(Buffer_Block_Tx, Buffer_Block_Rx, BLOCK_SIZE);

  }

  

  if(TransferStatus1 == PASSED)

  {

    LED2_ON;

    printf("Single block 测试成功！\n");



  }

  else

  {

		LED1_ON;

    printf("Single block 测试失败，请确保SD卡正确接入开发板，或换一张SD卡测试！\n");

    

  }

}

3. 多数据块测试

void SD_MultiBlockTest(void)

{  

  /*--------------- Multiple Block Read/Write ---------------------*/

  /* Fill the buffer to send */

  Fill_Buffer(Buffer_MultiBlock_Tx, MULTI_BUFFER_SIZE, 0x0);



  if (Status == SD_RESPONSE_NO_ERROR)

  {

    /* Write multiple block of many bytes on address 0 */

    Status = SD_WriteMultiBlocks(Buffer_MultiBlock_Tx, 0x00, BLOCK_SIZE, NUMBER_OF_BLOCKS);

    /* Check if the Transfer is finished */

  }



  if (Status == SD_RESPONSE_NO_ERROR)

  {

    /* Read block of many bytes from address 0 */

    Status = SD_ReadMultiBlocks(Buffer_MultiBlock_Rx, 0x00, BLOCK_SIZE, NUMBER_OF_BLOCKS);

    /* Check if the Transfer is finished */

  }



  /* Check the correctness of written data */

  if (Status == SD_RESPONSE_NO_ERROR)

  {

    TransferStatus2 = Buffercmp(Buffer_MultiBlock_Tx, Buffer_MultiBlock_Rx, MULTI_BUFFER_SIZE);

  }

  

  if(TransferStatus2 == PASSED)

  {

		LED2_ON;

    printf("Multi block 测试成功！");



  }

  else

  {

		LED1_ON;

    printf("Multi block 测试失败，请确保SD卡正确接入开发板，或换一张SD卡测试！");

  }

}

4. 状态缓冲

TestStatus Buffercmp(uint8_t* pBuffer1, uint8_t* pBuffer2, uint32_t BufferLength)

{

  while (BufferLength--)

  {

    if (*pBuffer1 != *pBuffer2)

    {

      return FAILED;

    }



    pBuffer1++;

    pBuffer2++;

  }



  return PASSED;

}



void Fill_Buffer(uint8_t *pBuffer, uint32_t BufferLength, uint32_t Offset)

{

  uint16_t index = 0;



  /* Put in global buffer same values */

  for (index = 0; index < BufferLength; index++)

  {

    pBuffer[index] = index + Offset;

  }

}

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