Nand Flash驱动程序编写指南-1

? 本文根据我的项目经验并结合博客园Sankye的《Linux下nand flash驱动》一文编写的，有雷同之处请多海涵。在编写nand flash之前，我们需要先了解以下要处理的设备的硬件特性。Flash全名叫做Flash Memory，属于非易失性存储设备(Non-volatile Memory Device)，与此相对应的是易失性存储设备(Volatile Memory Device)。关于什么是非易失性/易失性，从名字中就可以看出，非易失性就是不容易丢失，数据存储在这类设备中，即使断电了，也不会丢失，这类设备，除了Flash，还有其他比较常见的如硬盘，ROM等，与此相对的，易失性就是断电了，数据就丢失了，比如大家常用的内存，不论是以前的SDRAM，DDR SDRAM，还是现在的DDR2，DDR3等，都是断电后，数据就没了。Flash的内部存储是MOSFET，里面有个悬浮门(Floating Gate)，是真正存储数据的单元。在Flash之前，紫外线可擦除(uv-erasable)的EPROM，就已经采用用Floating Gate存储数据这一技术了。下图是典型的Flash内存单元的物理结构：

数据在Flash内存单元中是以电荷(electrical charge) 形式存储的。存储电荷的多少，取决于上面图中的外部门（external gate）所被施加的电压，其控制了是向存储单元中冲入电荷还是使其释放电荷。而数据的表示，以所存储的电荷的电压是否超过一个特定的阈值Vth来表示。

Nand Flash按照内部存储数据单元的电压的不同层次，也就是单个内存单元中，是存储1位数据，还是多位数据，可以分为SLC和MLC。

SLC，Single Level Cell为单个存储单元，只存储一位数据，表示成1或0。就是上面介绍的，对于数据的表示，单个存储单元中内部所存储电荷的电压，和某个特定的阈值电压Vth，相比，如果大于此Vth值，就是表示1，反之，小于Vth，就表示0。对于nand Flash的数据写入1，就是控制External Gate去充电，使得存储的电荷够多，超过阈值Vth，就表示1了。而对于写入0，就是将其放电，电荷减少到小于Vth，就表示0了。关于为何Nand Flash不能从0变成1，物理上来说，是可以实现每一位的，从0变成1的，但是实际上，对于实际的物理实现，出于效率的考虑，如果对于，每一个存储单元都能单独控制，即0变成1就是，对每一个存储单元单独去充电，所需要的硬件实现就很复杂和昂贵，同时，所进行对块擦除的操作，也就无法实现之前的，一闪而过的速度了，也就失去了Flash的众多特性了。

MLC，Multi Level Cell：与SLC相对应，就是单个存储单元，可以存储多个位，比如2位，4位等。其实现机制，说起来比较简单，就是，通过控制内部电荷的多少，分成多个阈值，通过控制里面的电荷多少，而达到我们所需要的存储成不同的数据。比如，假设输入电压是Vin＝4V（实际没有这样的电压，此处只是为了举例方便），那么，可以设计出2的2次方＝4个阈值，1/4 的Vin＝1V，2/4的Vin＝2V，3/4的Vin＝3V，Vin＝4V，分别表示2位数据00，01，10，11，对于写入数据，就是充电，通过控制内部的电荷的多少，对应表示不同的数据。对于读取，则是通过对应的内部的电流（与Vth成反比），然后通过一系列解码电路完成读取，解析出所存储的数据。这些具体的物理实现，都是有足够精确的设备和技术，才能实现精确的数据写入和读出的。单个存储单元可以存储2位数据的，称作2的2次方＝4 Level Cell，而不是2 Level Cell，同理，对于新出的单个存储单元可以存储4位数据的，称作 2的4次方＝16 Level Cell。

对于这二者我们怎么识别呢？显然不是用肉眼，很简单，Nand Flash设计中，有个命令叫做Read ID，读取ID，意思是读取芯片的ID，这里读取的ID中，是读取好几个字节，一般最少是4个，新的芯片，支持5个甚至更多，从这些字节中，可以解析出很多相关的信息，比如此Nand Flash内部是几个芯片（chip）所组成的，每个chip包含了几片（Plane），每一片中的页大小，块大小，等等。在这些信息中，其中有一个，就是识别此flash是SLC还是MLC。下面这个就是最常见的Nand Flash的datasheet中所规定的，第3个字节，3rd byte，所表示的信息，其中就有SLC/MLC的识别信息。

接下来看下nand flash的物理存储单元的阵列组织结构，这里以三星K9f5608为例分析，组织结构如下：

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简单的解释就是：1、一个nand flash由很多个块（Block）组成，块的大小一般是16KB、64KB、128KB，256KB，512KB，此处是16KB。

2、每个块里面又包含了很多页（page）。每个页的大小，对于现在常见的nand flash多数是2KB，更新的nand flash是4KB，我这块较老，只有512Byte，页大小大于2KB的nand flash，被称作big block，对应的发读写命令地址，一共5个周期(cycle)，而我的nand flash，页大小是256B，512B，这类的nand flash被称作small block，地址周期只有3个。块是Nand Flash的擦除操作的基本/最小单位。

3、每一个页，对应还有一块区域，叫做空闲区域（spare area）/冗余区域（redundant area），这个区域是最初基于Nand Flash的硬件特性：数据在读写时候相对容易错误，所以为了保证数据的正确性，必须要有对应的检测和纠错机制，此机制被叫做EDC(Error Detection Code)/ECC（Error Code Correction,或者 Error Checking and Correcting），所以设计了多余的区域，用于放置数据的校验值。页是Nand Flash的写入操作的基本/最小的单位。

Nand Flash之所以需要特定的驱动程序，就是因为其读写操作的特殊性，一般设备，如硬盘/内存，读取和写入都是以bit位为单位，读取一个bit的值，将某个值写入对应的地址的位，都是可以按位操作的。但是Flash由于物理特性，使得内部存储的数据，只能从1变成0，这点，可以从前面的内部实现机制了解到，只是方便统一充电，不方便单独的存储单元去放电，所以才说，只能从1变成0，也就是释放电荷。