“Flash闪存”基础 及 “SD NAND Flash”产品的测试介绍

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;

  }

}