来看看 NAND Flash与MCU集成的细微之处

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麦克泰技术发布时间：2020-9-4 13:38

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在SSD（固态硬盘），移动电话和消费类设备中使用的NAND Flash芯片，通常针对速度和每比特位数进行优化，因此，它们必须使用专用逻辑或应用处理器来处理优化带来的复杂性。但是，对于NAND Flash连接到MCU的嵌入式系统，其约束是完全不同的。了解这些差异将帮助开发人员避免代价高昂且耗时的错误。

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为了在面对NAND Flash的细微差别时，做出良好的设计决策，开发人员必须仔细确定系统需求。首先需要考虑的事项是：

•设备的使用寿命？

•需要的存储空间？

•数据保留时间？

•读/写数据的速度？

•数据组织方式？

•是否需要故障安全？

•可以容忍的设备故障率？

需求明确后，你就可以寻找满足这些要求的方法，在产品设计中集成合适的NAND Flash。

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NAND Flash基础知识

NAND Flash以页（page）为组成单位，每个页除数据区域外，还包含一个额外的、小的备用区域（spare area），可以用来存储管理信息。页组成块（block）。Flash以块为单位擦除，以页为单位写入。一些设备允许部分页编程，但不允许字节写入。Flash块中的页必须以递增地方式顺序写入，按page0，page1,page2….顺序。某些设备需要先写入一定数量的页，然后才能擦除块。

Flash的备用区用于存储元数据（meta-data），包括坏块标记和错误纠正码（ECC），NAND组织的简单示例，请参见图1。不同的NAND Flash其组织结构会有变化，详细信息请阅读设备的参考手册或数据表，了解所选设备的具体行为。

如何选择NAND设备和接口类型

对于MCU开发人员而言，大多数NAND设备过于复杂而无法集成-主要是由于其纠错要求。通常，SLC（single-level Cell，每个存储单元存放1位数据）Flash需要进行1位校正位，而MLC（Multi Level Cell，单个存储单元可以存储多个位，如2位，4位等）需要进行多位校正位。

MCU开发人员可以从以下三类中选择NAND设备：

1、具有内置ECC计算引擎的Flash，MCU不需要处理ECC，大多数SPI NAND器件包含此功能。

2、Flash需要的1位ECC校正可以通过软件完成。

3、MCU集成了带ECC引擎的NAND控制器，能够匹配所选NAND Flash。通常，MCU集成的NAND控制器只能管理少量位错误（1-8），而应用处理器可能具有更为复杂的ECC引擎。

NAND Flash与MCU的连接有两种方式。传统方法是使用地址与数据复用的8位数据总线。另一种方式是SPI接口，其优点是与MCU的接口简单，且大多数SPI接口的NAND Flash设备包含ECC引擎，可以减轻MCU的处理负担。

关注NAND固有特性

使用NAND Flash的复杂性是许多细微差别导致的，这些差别是这种存储介质不可或缺的一部分。通常，Flash密度越高，使用越复杂。以下是需要注意的事项：

出厂坏块信息：出厂时，设备中的某些块即不可用。在设备生产时，将对每个块进行测试，并将测试失败的块标记为坏块。

ECC校验：所有NAND Flash使用过程中，一些位会变得粘滞或状态翻转。Flash密度越大越不稳定。为了满足设备参数，制造商需要指定所需的纠错级别。ECC存储在每个页的备用区域中。ECC需要大量的计算，纠错的位数越多，工作量越大。

数据保持：使用指定的ECC纠错时，数据可以保持稳定状态的时间。

擦写次数：当指定的ECC不能保护数据之前，每个块可以写入和擦除的次数。

读干扰：对页的读取或写入操作可能会干扰另一页面的内容。

NAND Flash还有许多微妙之处，但并未全部标注在文档中。制造商还对使用场景做出假设，这些并没有记录在案。使用故障安全的软件（如SafeFAT）是最可靠的方法。

通常，给出的错误纠正、数据保持等数字是基于概率计算的，它们倾向于使用“典型”一词，而很少使用“保证”一词。不同的属性也会相互影响–例如，通常，块的擦除次数越多，数据保持率就越低。但此类信息无法从产品数据表中获得。此外，环境条件也会影响这些数字以及Flash使用的寿命。设计产品时，你应该确保设备在指定的参数范围内运行良好。

如果使用场景接近使用的NAND Flash部件的限制，建议您采取两种措施：

1、为您的应用场景建模设备的寿命

2、插入大量错误测试

无需畏惧软件管理

NAND Flash的管理使用Flash转换层（FTL）。FTL对应用程序（或文件系统）隐藏Flash的操作细节，仅处理一组扇区，下图所示。