在这篇笔记中，我们主要关注一下Flash存储器的基本存储结构。特别是其最小存储存储单元，也就是存储1位的结构是如何实现的。了解这点会有助于我们理解Flash的工作原理。需要说明的是，其中的一些内容是早前参考网上的资料整理得到的，原文链接已无从查找。

        一、Flash工作原理

        1 数据存储原理

        　　Flash存储器通常使用三端器件作为存储单元，分别为源极、漏极和栅极，与场效应管的工作原理相同，也是主要利用电场的效应来控制源极与漏极之间的通断。在栅极与硅衬底之间增加了一个浮置栅极。浮置栅极可以存储电荷，利用电荷存储来存储记忆。

        　　这个三端器件可表示１BIT的数据，向浮栅中注入电荷表示写入了'0'，没有注入电荷表示'1'。注入了电荷的晶体管总是导通状态，而没有注入电荷的则只有在控制栅极施加了相应电压后才导通。所谓的编程，也就是向其注入电荷，而擦除即为释放原注入的电荷。

        　　当存储“１”时，一次注入的电荷可长时间(10年以上)保持，如果制造缺陷或某些原因使其破坏、热能等会使其电荷衰减，影响数据的存储。这也决定了Flash存储器是非易性的，可用于通用的数据存储。

       

        　　如果要读取数据，则晶体管的源极接地而漏极接位线，在无偏置电压的情况下，检测晶体管的导通状态就可以获得存储单元中的数据。如果位线上的电平为低， 说明晶体管处于导通状态，读取的数据为0；如果位线上为高电平，则说明晶体管处于截止状态，读取的数据为1。控制栅极在读取数据的过程中施加的电压较小或根本不施加电压，不足以改变浮置栅极中原有的电荷量，所以读取操作不会改变FLASH中原有的数据。

        2 数据写入/擦除过程

        　　数据写入也即向浮栅注入电荷的过程，写入数据有两种技术，热电子注入(hot electron
injection)和F-N隧道效应(Fowler Nordheim
tunneling)。前一种是通过源极给浮栅充电，适用于NorFlash，后一种是通过硅基层给浮栅充电，适用于NandFlash。

        　　数据擦除，即通过相反的方式，加上相应的电压，释放浮栅中的电荷。

       

       

        3  操作特点-将1变0或者将0变1

        　　在对Flash的操作中，我们通常会提供到两个动词“擦除”和“编程”。通常意义上，“擦除”是将整个芯片或芯片内的某个存储块内的数据还原到初始状态；而编程则是将我们需要存储的数据写入到存储器的过程。

        　　根据前面的介绍以及我的理解，进行Flash数据编程操作时，是向特定的存储结构注入电荷的过程；而擦除则是释放电荷的过程。假设我们要向0x00地址处编程数据0x53，转换成二进制即为01010011。在实际进行编程操作时，仅仅进行电荷注入的操作，即将１变成０，所以只会对0x00地址单元对应的8个Flash存储位结构中的第3位、第4位、第7位、第8位注入电荷，其它位则不受影响。也即编程操作仅仅将将1变成0，而不会将0变成1。演示效果如下面的表格所示：

原值	1	1	1	1	1	1	1	1
电荷	注入	无	注入	无	注入	注入	无	无
结果	0	1	0	1	0	0	1	1

        　　而擦除操作则不同，擦除操作是仅仅释放原注入的电荷，即将将0变成1，而不能将1变成0。

        　　从本质上来说，编程和擦除没有什么区别，只是最后的结果互逆而已。一个将１变成０，一个将０变成１，工作原理其实是类似的。但目前的通用做法是将Flash内容为全1的状态称作是空片，而将1变成0的过程称之为“编程”。当然，也有个别的厂商会设定Flash内容为全0的状态称作是空片，而将0变成1的过程称之为“编程”。两种做法都是可以的，就看制造的工艺和提供的操作接口如何。这里我们就不去考虑那些个别的情况了，以通用的做法为准。

        二、Flash分类与特征

        1 Flash分类

        　　现在的Flash种类有很多种，比如NandFlash、NorFlash、DINOR、AND等，这里只介绍Nand、NorFlash两种比较通用的类型。

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                  Nor Flash：特点容量小、写入速度慢、随机存储速度快；通常用于存储可执行代码,并行接口类型（SRAM接口）可直接执行代码。所有位在Flash使用期间完全良好；支持并行和串行接口。比如一种比较常见的做法是，当应用程序代码体积较大时，为MCU外扩一块NorFlash存储额外的代码，MCU可直接通过SRAM接口读取代码并执行。容量多在M级以内，并且容量越大越贵；
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                  Nand Flash：特点写入、擦除速度快，可提供极高的存储密度、随机访问速度慢，常用于存储大批量的数据。读之前需要进行较长时间的初始化操作，并且出厂时就存在坏位，需要使用ECC、坏块管理等处理。通常使用复用的地址、数据线。应用NAND的困难在于flash的管理和需要特殊的系统接口,无法直接运行程序，只能存储数据；只能借助软件从NAND FLASH 载入SDRAM中运行。由于可存储的数据容量较大（通常128M，上GBit的容量），可用U盘的数据存储。

        　　下表是两种类型Flash的比较，很好的比较两种存储器的不同之处：

       

        1.3 Nor/Nand Flash比较

        1.3.1 性能比较

        　　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。

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                  写数据和擦除数据：Nand比Nor更快。NAND由于支持整块擦写操作，速度比 NOR要快得多，两者相差近千倍；
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                  数据读取：Nor比Nand更多，且Nor型可随机访问。NAND要先向芯片发送地址信息，地址信息包括块号、块内页号和页内字节号等部分，每进行一次数据访问需要经过三次寻址；而NOR操作则是以字或字节为单位进行直接读取，速度更快。随机访问一大好处是支持CPU直接通过外部总线从Nor中取指并执行，速度很快。

        1.3.2 接口差别

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                  NOR flash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节，从而可简化产品的设计；
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                  NAND器件使用复杂的、复用的I/O口来串行地存取数据，各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。

        1.3.3 容量和成本

        　　NOR flash占据了容量为1～16MB闪存市场的大部分，而NAND flash用在8～128MB的产品当中，NOR主要应用在代码存储介质中，NAND适合于数据存储。

        1.3.4 可靠性和耐用性

        　　采用flash介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。

        　　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。

        2. 位交换

        　　NAND的供应商建议使用NAND闪存的时候，同时使用EDC/ECC算法。这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。当然，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时，必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。

        3. 坏块处理

        　　NAND FLASH相邻单元之间较易发生位翻转而导致坏块出现，而且是随机分布的，如果想在生产过程中消除坏块会导致成品率太低、性价比很差，所以在出厂前要在高温、高压条件下检测生产过程中产生的坏块，写入坏块标记，防止使用时向坏块写入数据；但在使用过程中还难免产生新的坏块，所以在使用的时候要配合 EDC/ECC(错误探测/错误更正)和BBM(坏块管理)等软件措施来保障数据的可靠性。坏块管理软件能够发现并更换一个读写失败的区块，将数据复制到一个有效的区块。