存储技术基础课堂报告 —— 闪存全攻略

存储技术基础课堂报告 ——闪存全攻略

00548232 冯涛00548239 周琪山00548220 陈彦卿

什么是闪存

快闪存储器（ Flash memory ），简称闪存，是一种记忆卡与随身碟，是特殊的、以大区块抹写的 EEPROM 。

----from wiki

闪存历史

• 闪存是舛冈富士雄博士（ Dr. Fujio Masuoka ）在 1984 年于东芝公司工作时发明的。

• “Flash” 是舛冈博士的同事所持有泉建议的。因为这种内存的抹除流程让他想起了相机的闪光灯。

• 在 1984 年的加州旧金山 IEEE 国际电子元件大会 (International Electron Devices Meeting, IEDM) 上舛冈博士发表了这项发明。

闪存历史

• 舛岡富士雄博士（ 1943, Takasaki, Gunma ）是闪存（ flash memory ）的发明者。包括 NAND 和 NOR 。

• 1971 年，舛岡博士加入了 Toshiba 公司。在那里他发明了闪存，以及 SAMOS memory 。

• 现在，舛岡博士是 Tohoku 大学的一名教授。

• 1997 年，舛岡博士获得了 IEEE Morris N. Liebmann Memorial Award 。

闪存历史

• Intel 是世界上第一个生产闪存并将其投放市场的公司。

• 1988 年， Intel 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。后来， Intel 发明的这类闪存被统称为 NOR 闪存。

• 还有一种闪存称为 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。

工作原理

• 闪存一种 EEPROM 芯片。在其内部有一系列网格排列的单元，每个单元的结构如下图所示：

工作原理

• 紫色部分是两个晶体管，用薄氧化层隔开。

• 位于下面的晶体管又被称做浮闸，上面的是控制闸。

• 通过 Fowler-Nordheim tunneling 改变薄氧化层中电子的数量就能够改变当前单元的存储值。

工作原理

• 一般施加 10~13伏特的电压给浮闸可以使它像电子枪那样工作，活跃的电子被向前推送至薄氧化层上并产生负电荷。

• 通过检测穿越浮闸的电荷数量，单元中电流的走向也会相应改变，从而实现 1状态 ->0 状态的转变。

工作原理

工作原理

• 类似的，也可以用高电压形成的电场将 0 状态回复到 1状态。

• 通过 in-ciruit wiring 的方式，可以对预先决定的区域或者是整个芯片进行恢复，之后就可以被重新写入。

工作原理

• 这也就是闪存比一般的 EEPROM更加迅速的地方 :

它并不是每次一字节地慢慢删除

闪存的优点

• 区块擦写，与 EEPROM 相比成本低，数据较大时速度优势显著

• 非挥发性内存，不消耗电力• 较低的读取延时• 动态抗震能力强• 被制成记忆卡时非常可靠，在水中也能抵抗高压与极端的温度。

闪存的局限

• 区块抹除 Block erasure ：

闪存即使可以以字节或者位为单位读或写入，但是抹除一定是以区块为单位。设定某一区块中的所有位元为“ 1” ，刚开始区块内的所有部份都可以写入，然而当有任何一个位元被设为“ 0” 时，就只能借由清除整个区块来回复“ 1” 的状态。即闪存 ( 特别是 NOR Flash)能提供随机读取与写入操作，却无法提供任意的随机覆写。

尽管闪存的数据结构不能完全以一般的方式做更新，但这允许它以“标记为不可用”的方式删除数据。

闪存的局限

• 存储损耗 Memory Wear ：闪存有抹写循环的次数限制 ( 大多商业性

SLC闪存保证“ 0” 区有十万次的抹写能力，但其他区块不保证 )

•耗损平衡（Wear Levelling ）

•坏区管理 (Bad Block Management, BBM)

耗损平衡

• 耗损平衡：主要功能是为了延长整个存储器的使用寿命 , 由

于 flash擦除次数有限 ,可能某些数据改写频率较一般数据更大 .例如有些管理数据系统日志等改写频繁 ,而某些静态文件数据却几乎从不改写 . 如不加控制部分块就会因反复多次擦除而提前损坏 ,而部分块还未被改写过 , 以至影响 Flash 的使用性能

因此需要动态分配物理块 ,各块因使用情况不同分配的优先级也应该有所不同 ,从而均衡整个存储器各单元的使用寿命 .

坏区管理

• 坏区管理：• 在写入时做验证并进行动态重测，如果有验证失败的区块就加以剔除。对多数移动存储设备而言，这些磨损管理技术可以延长其内部闪存的寿命，但是遗失部分资料是不可避免的。

•对于会进行大量资料读写循环的高可靠性资料储存应用则不建议使用闪存。

NOR 与 NAND

• NOR 与 NAND 是闪存的两种最常见的类型

• NOR 是最早的闪存类型，有较好的随机存取能力

• NAND具有较高的存储密度和较低的单位成本，广泛应用于记忆卡等存储设备中

NOR FLASH

• 写入方式• 通过热电子注入 NOR flash 的记忆单元（逻辑 1 -> 0 ) ，可以以单一字节的方式写入

• 抹除方式• 由量子穿遂效应（ quantum tunneling ） .利用电压将电子拉出浮闸（ FG ）（逻辑 0->1) ，一般以区块为单位抹除

NOR FLASH

• 数据存取• 读取数据

• NOR Flash本身为读取等数据操作 (支持随机存取 )提供外部地址总线，可以通过给出数据地址由总线传输数据。支持随机读取

• 解锁、抹除与写入数据•必须以区块 - 区块 (Block-by-block) 的方式进行，典型的区块大小为 64 、 128或 256KB。

• 坏区管理（ Bad block management ）• 一些老式的 NOR设备不支持坏区管理，一旦储存

区块发生毁损，软件或驱动程序必须负责处理这个问题，否则可能会导致装置发生异常。

NAND FLASH

• 写入方式•利用穿隧注入 (Tunnel injection) 写入

• 抹除方式•利用穿隧释放 (Tunnel release) 抹除

NAND FLASH

• 数据存取• NAND Flash 所有的动作都必须以区块性基础 (Bloc

k-wise fashion)执行，包含读、写、解锁与抹除。• NAND 的区块是由多个页组成的。写入建立在这种页的基础上时，抹除便只能以区块性的方法进行。

• NOPs (Number of Operations ） • 区块内的数据只能序列性的写入， NOPS 代表

区扇可以被写入的次数。目前MLC的 NOPs 是1；而 SLC则是 4 。

• NAND Flash也要求装置驱动程序、软件或分离的控制芯片进行坏区管理，

NAND FLASH

• Open NAND Flash Interface Working Group (ONFI)为 NAND flash 制定了底层接口标准，使得符合标准的不同厂商 NAND设备能互相通用。

• The ONFI specification version 1.0于 2006 年 12月发布（包括如下标准）• a standard physical interface (pinout) for NAND

flash in TSOP-48, WSOP-48, LGA-52, and BGA-63 packages

• a standard command set for reading, writing, and erasing NAND flash chips

• a mechanism for self-identification (comparable to the Serial Presence Detection feature of SDRAM chips)

闪存的存储管理

• 目前闪存上的存储管理方案：• 使用控制器（ controler ）

• 内置控制芯片，需要相应的驱动和接口•附加的存储设备•比如： U盘等移动存储介质

• 使用文件系统管理（ flash file system,FFS ）• 特殊的文件系统，管理 flash文件•主要的存储设备•比如：嵌入式系统

闪存控制器

• 控制器功能：• 基本的读写操作• 损耗平衡的控制（ wear-levelling ）• 交错纠错（ error correction ）

• U盘的结构：主要是由 USB插头、主控芯片、稳压 IC(LDO) 、

晶振、闪存 (FLASH) 、 PCB板、帖片电阻、电容、发光二极管 (LED)等组成。

闪存控制器

• USB端口：负责连接电脑，是数据输入或输出的通道。

• 主控芯片：负责各部件的协调管理和下达各项动作指令，并使计算机将 U盘识别为“可移动磁盘”，是 U盘的“大脑” 。

• FLASH芯片：保存数据的实体，其特点是断电后数据不会丢失，能长期保存。

• PCB底板：负责提供相应处理数据平台，且将各部件连接在一起

闪存控制器

闪存的文件系统

• NAND Flash Momory 结构• 内部分为多个存储单元块（ block ）• 每个存储单元块又由多个页（ page ）组成• 存储单元块是可擦除的最小单位，• 页是写入数据的最小单位。• Flash 存储器第一块一定是有效块 • 内部坏块的判定：根据其每一个单元存储块中的第

3 区中的第 6 列内容是否为 0xff来定


• NAND Flash 的页• 每个 block 包括了数页。一般来说这些页的尺寸为 5

12 、 2048或 4096字节。各个页之间会有 12~16字节用于储存侦错与纠错的校验和。

• 下面是标准区块的页数

16k 128k 256k 512k

页大小 0.5k 2k 4k 4k

页数 32 64 64 128


• 传统的闪存文件系统 (FFS)功能结构 :• 文件转义层 (File Translation Layer,FTL): 主要功能

是针对 Flash 的特殊物理特性 ,封装底层一些特殊复杂的管理控制功能 ,使得上层操作 Flash 与操作普通磁盘一样

• 文件管理层 : 功能类似于普通磁盘上的通用文件系统 . 它封装一些文件管理等功能 ,向上层提供标准的文件操作接口


FFS

文件管理层(FAT等)

Flash 存储器

文件传输控制层(FTL)

上层应用

FormatOpenFileCloseFileDeleteFile

...

逻辑-物理地址转换磨损控制坏块检验校错纠错


• 传统 FFS 的不足：• 把闪存模拟为一个块设备， FTL负责• FTL本质上就是一个日志型文件系统 • 传统的 FFS = 日志型文件系统 +标准文件系统• 多余，低效

• 改进：• JFFS: The Journalling Flash File System • 简化了传统 FFS ，去掉了多余的 FTL 层• 针对闪存特点，专门为闪存设备设计，高效


闪存驱动

闪存芯片

传统的文件系统

JFFS

FTL

模拟块模拟块模拟块……


• 目前的闪存文件系统：• FAT • FFS2 • exFAT• JFFS• JFFS2• LogFS• Non-Volatile File System• YAFFS• CoreFSIF• ……

闪存特点

• 闪存是一种 ROM ，实际上并不支持写功能，因此，也就不需要像一般 RAM 那样用外部的能量（如电源）维持记忆的内容。

• 相比硬盘而言，小巧的闪存没有高速运动的部分，因此不会产生噪音，同时也会有更快的存取速度。

• 正是这些特点，决定了闪存在移动存储方面的强大能力。

主流产品

。

通信标准

• 为了使不同的闪存之间可以互相通信， PCMCIA （ Personal Computer Memory Card Internation Association ）制定了一系列的标准，也因此产生了各种适配器用于闪存和闪存，闪存与机器之间的通信和传输。

市场状况

• 目前的闪存市场仍属于群雄争霸的战国时期。三星、日立、 Spansion 和 Intel 是这个市场的四大生产商。

• 根据 iSuppli 公布的 2004 年闪存市场调查报告。 2004 年的闪存市场，三星电子的市场份额仍高居全球首位，排名第二的是 AMD/Spansion 。三星是 NAND 闪存的最大供应商，而 AMD/Spansion 是 NOR 市场的第一名。

• 报告还显示， 2004 年全球闪存市场规模达到 159亿美元，而 2003 年为 116亿美元，同比增长 36.4%

中国的市场状况

用途与前景

• 闪存并不仅仅能在移动存储、小规模存储中发挥巨大的作用。在大规模的存储应用中，闪存也有非常良好的发展势头。

• 由于闪存在抗震、防尘、能耗、噪声等性能方面远优于硬盘存储系统，因此将闪存用于大规模数据存储的想法一直是各国学者关心的问题。

用途与前景

• 2008 年 8月，通过长达两年的产品技术研发及测试，百度日前已成为全球首个使用闪存（ Flash Memory ）技术代替硬盘并大规模商用的互联网公司。

• 据悉，百度每日承载数亿次点击访问的检索及索引存储的运算集群已经全部拆除硬盘，并代之以百度自行定制研发的海量闪存卡。这一改变极大的提高百度的服务能力和检索速度，让亿万网民从中受益。

用途与前景

用途与前景

• 2006 年 9月，三星公司宣布了 PRAM(Phase-change Random Access Memory) 的研究计划。

• 这种新式的闪存可以同时拥有比 RAM更快的存取速度和一般闪存的无振荡特性，并可以达到一般闪存 10倍的寿命。

• 预计 2010年将会进行大批量商业生产。

竞争对手

• 活细菌有望成为比闪存，光盘和硬盘更经久耐用的存储介质。

• 日本庆应义塾大学尖端生命科学研究所的研究人员通过向细菌天然 DNA （脱氧核糖核酸）序列的不同位置插入相同的人造 DNA 序列，开发出了用细菌长期保存数据的技术。

• 研究人员利用计算机模拟得出的结果显示，如果是 10 个文字的信息量，那么在细菌保持正常繁殖速度不变的情况下，数据可原封不动地被保存几百年乃至几千年。

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