痞子衡嵌入式：并行NAND接口標(biāo)準(zhǔn)(ONFI)及SLC Raw NAND簡(jiǎn)介

說(shuō)到Raw NAND發(fā)展史，其實(shí)早期的Raw NAND沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各廠(chǎng)商都是自由設(shè)計(jì)，因此尺寸不統(tǒng)一、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)差異大、接口命令不通用等問(wèn)題導(dǎo)致客戶(hù)使用起來(lái)很難受。為了改變這一現(xiàn)狀，2006年幾個(gè)主流的Raw NAND廠(chǎng)商（Hynix、Intel、Micron、Phison、Sony、ST）聯(lián)合起來(lái)商量制訂一個(gè)Raw NAND標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)叫Open NAND Flash Interface，簡(jiǎn)稱(chēng)ONFI，2006年12月ONFI 1.0標(biāo)準(zhǔn)正式推出，此標(biāo)準(zhǔn)一經(jīng)推出大受歡迎，此后幾乎所有的Raw NAND廠(chǎng)商都按照ONFI標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)Raw NAND，從此Raw NAND世界清靜了，不管哪家生產(chǎn)的Raw NAND對(duì)嵌入式設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)幾乎都是一樣的，至少在驅(qū)動(dòng)代碼層面是一樣的，那么各廠(chǎng)商競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)在哪呢？主要在三個(gè)方面：數(shù)據(jù)存取速率、ECC能力、ONFI之外的個(gè)性化功能。

　　大家好，我是痞子衡，是正經(jīng)搞技術(shù)的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是ONFI標(biāo)準(zhǔn)及SLC Raw NAND。

　　NAND Flash是嵌入式世界里常見(jiàn)的存儲(chǔ)器，對(duì)于嵌入式開(kāi)發(fā)而言，NAND主要分為兩大類(lèi)：Serial NAND、Raw NAND，這兩類(lèi)NAND的差異是很大的（軟件驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)角度而言），即使你掌握其中一種，也不代表你能了解另一種。

　　Raw NAND是相對(duì)于Serial NAND而言的，Serial NAND即串行接口的NAND Flash，而Raw NAND是并行接口的NAND FLASH，早期并行接口通信數(shù)據(jù)率是明顯高于串行通信數(shù)據(jù)率的，但隨著串行通信速度越來(lái)越快，并行接口速度優(yōu)勢(shì)顯得不那么重要了，反而因信號(hào)線(xiàn)太多導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本較高（PCB走線(xiàn)復(fù)雜）顯得有點(diǎn)不合潮流。但其實(shí)這么說(shuō)對(duì)Raw NAND是不公平的，現(xiàn)在的Serial NOR/NAND信號(hào)線(xiàn)其實(shí)也不少，比如高速的串行HyperFlash信號(hào)線(xiàn)數(shù)量已經(jīng)直逼x8 bit的Raw NAND FLASH，所以Raw NAND市場(chǎng)還是堅(jiān)挺的，你會(huì)發(fā)現(xiàn)各大存儲(chǔ)廠(chǎng)商都還在不斷推出Raw NAND FLASH產(chǎn)品。

一、ONFI標(biāo)準(zhǔn)由來(lái)

　　說(shuō)到Raw NAND發(fā)展史，其實(shí)早期的Raw NAND沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，雖然早在1989年Toshiba便發(fā)表了NAND Flash結(jié)構(gòu)，但具體到Raw NAND芯片，各廠(chǎng)商都是自由設(shè)計(jì)，因此尺寸不統(tǒng)一、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)差異大、接口命令不通用等問(wèn)題導(dǎo)致客戶(hù)使用起來(lái)很難受。為了改變這一現(xiàn)狀，2006年幾個(gè)主流的Raw NAND廠(chǎng)商（Hynix、Intel、Micron、Phison、Sony、ST）聯(lián)合起來(lái)商量制訂一個(gè)Raw NAND標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)叫Open NAND Flash Interface，簡(jiǎn)稱(chēng)ONFI，2006年12月ONFI 1.0標(biāo)準(zhǔn)正式推出，此標(biāo)準(zhǔn)一經(jīng)推出大受歡迎（好像不歡迎也不行，那些大廠(chǎng)說(shuō)了算啊），此后幾乎所有的Raw NAND廠(chǎng)商都按照ONFI標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)Raw NAND，從此Raw NAND世界清靜了，不管哪家生產(chǎn)的Raw NAND對(duì)嵌入式設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)幾乎都是一樣的，至少在驅(qū)動(dòng)代碼層面是一樣的，那么各廠(chǎng)商競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)在哪呢？主要在三個(gè)方面：數(shù)據(jù)存取速率、ECC能力、ONFI之外的個(gè)性化功能。

　　你可以從 ONFI官網(wǎng) 下載ONFI標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)，從2006年推出1.0標(biāo)準(zhǔn)至今，ONFI標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)展到4.1，這也說(shuō)明了Raw NAND技術(shù)在不斷更新升級(jí)。

二、SLC Raw NAND原理

2.1 Raw NAND分類(lèi)

　　從軟件驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)角度而言，Raw NAND可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步細(xì)分：

單元層數(shù)(bit/cell)：SLC（1bit/cell） / MLC（2bit/cell） / TLC（3bit/cell） / QLC（4bit/cell）
數(shù)據(jù)線(xiàn)寬度：x8 / x16
信號(hào)線(xiàn)模式：Asynchronous / Synchronous
數(shù)據(jù)采集模式：SDR / DDR
接口命令標(biāo)準(zhǔn)：非標(biāo) / ONFI

　　本文的主要研究對(duì)象是兼容ONFI 1.0標(biāo)準(zhǔn)的Asynchronous SDR SLC NAND Flash。

2.2 Raw NAND內(nèi)存模型

　　ONFI規(guī)定了Raw NAND內(nèi)存單元從大到小最多分為如下5層：Device、LUN(Die)、Plane、Block、Page（如下圖所示），其中Page和Block是必有的，因?yàn)?font color="Blue">Page是讀寫(xiě)的最小單元，Block是擦除的最小單元。而LUN和Plane則不是必有的（如沒(méi)有，可認(rèn)為L(zhǎng)UN=1, Plane=1），一般在大容量Raw NAND（至少8Gb以上）上才會(huì)出現(xiàn)。

　　根據(jù)以上5層分級(jí)的內(nèi)存模型，Raw NAND地址也很自然地由如下圖中多個(gè)部分組成:

Raw NAND Address = LUN Addr + Block Addr + Page Addr + Byte Addr (Column Addr)

　　可能有朋友對(duì)Plane Address bit的位置有疑問(wèn)，其實(shí)結(jié)合上面內(nèi)存模型圖就不難理解了，每個(gè)Plane里包含的Block并不是連續(xù)的，而是與其他Plane含有的Block是交錯(cuò)的。

2.3 Raw NAND信號(hào)與封裝

　　ONFI規(guī)定了Raw NAND信號(hào)線(xiàn)與封裝，如下是典型的x8 Raw NAND內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，除了內(nèi)存單元外，還有兩大組成，分別是IO控制單元和邏輯控制單元，信號(hào)線(xiàn)主要掛在IO控制與邏輯單元，x8 Raw NAND主要有15根信號(hào)線(xiàn)（其中必須的是13根，WP#和R/B#可以不用），關(guān)于各信號(hào)線(xiàn)具體作用，請(qǐng)查閱相關(guān)文檔。

　　ONFI規(guī)定的封裝標(biāo)準(zhǔn)有很多，比如TSOP48、LGA52、BGA63/100/132/152/272/316，其中對(duì)于嵌入式開(kāi)發(fā)而言，最常用的是如下圖扁平封裝的TSOP-48，這種封裝常用于容量較小的Raw NAND（1/2/4/8/16/32Gb），1-32Gb容量對(duì)于嵌入式設(shè)計(jì)而言差不多夠用，且TSOP-48封裝易于PCB設(shè)計(jì)，因此得以流行。

2.4 Raw NAND接口命令

　　ONFI 1.0規(guī)定了Raw NAND接口命令，如下表所示，其中一部分是必須要支持的（M），還有一部分是可選支持的（O）。必須支持的命令里最常用的是Read(Read Page)、Page Program、Block Erase這三條，涵蓋讀寫(xiě)擦最基本的三種操作。

　　除了讀寫(xiě)擦這三個(gè)最基本命令外，還有一個(gè)必有命令也非常常用，這個(gè)命令是Read Status，用于獲取命令執(zhí)行狀態(tài)與結(jié)果，ONFI規(guī)定Raw NAND內(nèi)部必須包含一個(gè)8bit的狀態(tài)寄存器，這個(gè)狀態(tài)寄存器用來(lái)存儲(chǔ)NAND命令執(zhí)行狀態(tài)與結(jié)果，其中有兩個(gè)bit（RDY-SR[6]和FAIL-SR[0]）需要特別關(guān)注，RDY用于指示命令執(zhí)行狀態(tài)（這個(gè)bit與外部R/B#信號(hào)線(xiàn)功能是一致的），F(xiàn)AIL用于返回命令執(zhí)行結(jié)果（主要是有無(wú)ECC錯(cuò)誤）。

　　此外，還有一個(gè)必有命令不得不提，這個(gè)命令是Read Parameter Page，用于獲取芯片內(nèi)部存儲(chǔ)的出廠(chǎng)信息（包括內(nèi)存結(jié)構(gòu)、特性、時(shí)序、其他行為參數(shù)等），這個(gè)Parameter Page大小為256Bytes，其結(jié)構(gòu)已由ONFI規(guī)定如下表，痞子衡已經(jīng)圈出了一些重要信息，在設(shè)計(jì)NAND軟件驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)獲取這個(gè)Parameter Page來(lái)做到代碼通用。

2.5 Raw NAND數(shù)據(jù)速率

　　前面講了，數(shù)據(jù)存取速率這個(gè)技術(shù)指標(biāo)是各廠(chǎng)商競(jìng)爭(zhēng)力的體現(xiàn)，對(duì)于這個(gè)指標(biāo)，其實(shí)ONFI標(biāo)準(zhǔn)定義了一部分，我們知道Raw NAND數(shù)據(jù)存取操作是以Page為單位的，Page操作時(shí)間決定了數(shù)據(jù)存取速率，Page操作時(shí)間由3部分組成：

Page操作時(shí)間（t_ReadPage） = Page命令操作時(shí)間（t_Cmd） + Page命令執(zhí)行等待時(shí)間（t_Busy） + Page數(shù)據(jù)操作時(shí)間（t_Data）

　　以上三部分時(shí)間里，ONFI定義了Page命令/數(shù)據(jù)操作時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，但Page命令執(zhí)行等待時(shí)間無(wú)法強(qiáng)制，因此各廠(chǎng)商N(yùn)AND速度差異主要是這個(gè)Page命令執(zhí)行等待時(shí)間不同造成的。

　　以異步模式Read Page命令（0x00 - 0x30）為例講解，下圖是Read Page完整時(shí)序簡(jiǎn)圖，0x00是主機(jī)發(fā)送的第一個(gè)字節(jié)，用于通知NAND Device主機(jī)想要讀取Page，隨后的5個(gè)字節(jié)發(fā)送的是地址數(shù)據(jù)，用于通知NAND Device主機(jī)想要從什么地址獲取數(shù)據(jù)，0x30是主機(jī)發(fā)送的最后一個(gè)字節(jié)，用于通知NAND Device讀取Page命令發(fā)送已經(jīng)完成，至此命令操作周期已經(jīng)結(jié)束，NAND Device此時(shí)開(kāi)始進(jìn)行內(nèi)部處理流程：拉低外部引腳R/B#或?qū)?nèi)部寄存器SR[6]置0表明我正在忙，然后從內(nèi)存塊里將主機(jī)指定地址所在的Page數(shù)據(jù)全部拷貝到臨時(shí)緩存區(qū)（Page Buffer），對(duì)這一整個(gè)Page數(shù)據(jù)進(jìn)行ECC校驗(yàn)，如Page數(shù)據(jù)校驗(yàn)通過(guò)，拉高外部引腳R/B#或?qū)?nèi)部寄存器SR[6]置1表明我已經(jīng)準(zhǔn)備好了，至此命令執(zhí)行等待周期已經(jīng)結(jié)束，主機(jī)開(kāi)始按Byte依次將Page數(shù)據(jù)讀出來(lái)，所有Page數(shù)據(jù)全部都被讀出來(lái)后，整個(gè)Read Page時(shí)序就結(jié)束了。

　　下圖是命令/地址操作具體時(shí)序，根據(jù)時(shí)序圖我們可以粗略計(jì)算出t_Cmd：

t_Cmd = (cmdBytes + addrBytes) x (t_WP + t_WH) = 7 * (t_WP + t_WH)

　　下圖是數(shù)據(jù)讀取操作具體時(shí)序，分為兩種：Non-EDO模式（RE#上沿采樣數(shù)據(jù)）和EDO模式（RE#下沿采樣數(shù)據(jù)），從圖中我們知道t_RC是RE#信號(hào)的一個(gè)周期，通俗地說(shuō)，Non-EDO模式一般用于低速模式（即t_RC > 30ns時(shí)），而EDO模式一般用于高速模式（即t_RC < 30ns時(shí)）。根據(jù)時(shí)序圖我們可以粗略計(jì)算出t_Data：

t_Data = dataBytesInOnePage * t_RC

　　讓我們把t_Cmd和t_Data代入t_ReadPage計(jì)算公式可得如下等式，我們知道其中t_Busy是無(wú)法得知的，那么其他三個(gè)時(shí)間t_WP、t_WH、t_RC到底是多少呢？

t_ReadPage = 7 x (t_WP + t_WH) + t_Busy + dataBytesInOnePage * t_RC

　　繼續(xù)查看ONFI手冊(cè)可以找到答案，ONFI規(guī)定了六種timing mode（0-5），timing mode table里指明了所有時(shí)序相關(guān)的參數(shù)數(shù)值范圍，當(dāng)然也包括t_WP、t_WH、t_RC，以最快的timing mode 5來(lái)計(jì)算：

t_ReadPage = 7 x 20ns + t_Busy + dataBytesInOnePage * 20ns = (dataBytesInOnePage + 7) x 20ns + t_Busy

　　我們似乎離答案更近一步了，但t_Busy是多少這個(gè)問(wèn)題始終困擾著我們，其實(shí)痞子衡帶你繞了路，想要知道Read Page的時(shí)間沒(méi)有這么復(fù)雜，我們可以從任何一款Raw NAND數(shù)據(jù)手冊(cè)的扉頁(yè)Features里直接找到答案，如下是Micron生產(chǎn)的型號(hào)為MT29F4GxxABBxA的部分feature：

? Open NAND Flash Interface (ONFI) 1.0-compliant
? Single-level cell (SLC) technology
? Organization
  – Page size x8: 2112 bytes (2048 + 64 bytes)
  – Page size x16: 1056 words (1024 + 32 words)
  – Block size: 64 pages (128K + 4K bytes)
  – Plane size: 2 planes x 2048 blocks per plane
  – Device size: 4Gb: 4096 blocks; 8Gb: 8192 blocks; 16Gb: 16,384 blocks
? Asynchronous I/O performance
  – tRC/tWC: 20ns (3.3V), 25ns (1.8V)
? Array performance
  – Read page: 25μs
  – Program page: 200μs (TYP: 1.8V, 3.3V)
  – Erase block: 700μs (TYP)
? Operating voltage range
  – VCC: 2.7–3.6V
  – VCC: 1.7–1.95V

　　從feature里我們可以知道t_ReadPage最小為25us（此數(shù)值應(yīng)是在x16 bits，timing mode 5下得出的最快速度），那么可以反算出t_Busy = 25us - 20ns * （1024 + 7） = 4.38us，知道了t_Busy讓我們計(jì)算一下x8 bits下的t_ReadPage = 20ns * （2048 + 7） + 4.38us = 45.48us，再計(jì)算x8 bits下的讀取數(shù)據(jù)率 2048Bytes / 45.48us = 360.246Mbps，這個(gè)數(shù)據(jù)率對(duì)于普通嵌入式應(yīng)用來(lái)說(shuō)其實(shí)是夠快的。

2.6 Raw NAND壞塊與ECC

　　Raw NAND開(kāi)發(fā)繞不開(kāi)壞塊（Bad Block）問(wèn)題，這是NAND Flash區(qū)別于NOR Flash的一個(gè)重要特點(diǎn)。NAND技術(shù)上允許壞塊的存在，這降低了NAND生產(chǎn)工藝要求，因此NAND單位容量?jī)r(jià)格比NOR低。

　　既然物理上的壞塊無(wú)法避免，那有什么方法可以改善/解決壞塊問(wèn)題呢？方法當(dāng)然是有的，這個(gè)方法就是ECC（Error Correcting Code），ECC的具體實(shí)現(xiàn)原理詳見(jiàn)痞子衡的另一篇文章漢明碼校驗(yàn)(Hamming Code SEC-DED)，在這里你只需要知道ECC是一種錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正算法，它通過(guò)對(duì)一定量的數(shù)據(jù)塊（一般是256/512bytes）進(jìn)行計(jì)算得到ECC碼（一般8bytes），在Page Program時(shí)將原始Page數(shù)據(jù)與ECC碼一同存入NAND Flash，在Read Page時(shí)同時(shí)獲取Page數(shù)據(jù)與ECC碼再進(jìn)行一次計(jì)算，如果該P(yáng)age數(shù)據(jù)沒(méi)有ECC錯(cuò)誤或者bit錯(cuò)誤能夠被ECC碼糾正，那么Page讀寫(xiě)操作就能夠正常進(jìn)行，如果bit錯(cuò)誤個(gè)數(shù)太多不能夠被糾正，那么該P(yáng)age所在的塊就應(yīng)該被認(rèn)定為一個(gè)壞塊。

　　ECC能力主要根據(jù)糾正單數(shù)據(jù)塊中錯(cuò)誤bit個(gè)數(shù)來(lái)區(qū)分的，最基本的ECC只能夠糾正1bit錯(cuò)誤，強(qiáng)一點(diǎn)的ECC可以糾正4或者8個(gè)甚至更多的錯(cuò)誤bit。

　　讓我們用一款實(shí)際芯片來(lái)具體分析壞塊與ECC，依舊以前面分析過(guò)的Micron生產(chǎn)的型號(hào)為MT29F4G08ABBxA為例，下圖是其內(nèi)存結(jié)構(gòu)圖，從圖中我們可以知道這款NAND的Page大小為2KB，但如果你仔細(xì)看，你會(huì)發(fā)現(xiàn)每個(gè)Page還額外含有64Bytes數(shù)據(jù)，這個(gè)64Bytes區(qū)域即所謂的Spare Area，這個(gè)區(qū)域到底是干嘛用的呢？

　　下圖是Spare Area的mapping圖，由于每個(gè)Page是2KB，而ECC計(jì)算塊是512Bytes，因此Page區(qū)域被均分為4塊，分別是Main 0、1、2、3，每塊大小為512Bytes，而相應(yīng)的Spare Area也被均分為4塊，分別是Spare 0、1、2、3，每塊大小為16bytes，與Main區(qū)域一一對(duì)應(yīng)。每個(gè)Spare x由2bytes壞塊信息、8bytes ECC碼、6bytes用戶(hù)數(shù)據(jù)組成。要特別說(shuō)一下的是ECC區(qū)域，當(dāng)芯片硬件ECC功能開(kāi)啟時(shí)，8bytes ECC碼區(qū)域會(huì)被自動(dòng)用來(lái)存儲(chǔ)ECC信息，而如果芯片沒(méi)有硬件ECC功能，這個(gè)區(qū)域可以用來(lái)手動(dòng)地存放軟件ECC值。

　　下圖是芯片Error管理相關(guān)信息，也包含了ECC，從圖中我們可以知道這款芯片ECC是4bits，壞塊是用0x00來(lái)標(biāo)識(shí)的，并且承諾該芯片出廠(chǎng)時(shí)每個(gè)Die里所含有的4096個(gè)block最多只會(huì)有80個(gè)壞塊。這些信息除了在芯片手冊(cè)里可以找到之外，前面介紹過(guò)的ONFI Parameter Page也同樣記錄了。

2.7 Raw NAND個(gè)性化功能

　　Raw NAND還有一些個(gè)性化的功能，這個(gè)是因廠(chǎng)商而異的，ONFI規(guī)定了兩個(gè)可選的命令Get/Set Feature，個(gè)性化功能可以通過(guò)Get/Set Feature命令來(lái)擴(kuò)展。下表是ONFI 1.0規(guī)定的Feature address范圍，其中0x01是Timing Mode，0x80-0xFF用于各廠(chǎng)商實(shí)現(xiàn)自己的特色功能。

　　關(guān)于Timing Mode地址的具體定義如下，ONFI規(guī)定芯片上電初始為T(mén)iming mode 0，即最低速的模式，如果我們想要更快的NAND訪(fǎng)問(wèn)速度，必須使用Set feature命令將Timing mode設(shè)置到想要的數(shù)值。

　　繼續(xù)以前面分析過(guò)的Micron生產(chǎn)的型號(hào)為MT29F4G08ABBxA為例，下圖是該芯片的Feature定義，除了ONFI規(guī)定之外，還定義了自己的特色部分（0x80, 0x81, 0x90）。

　　比如0x90定義的Array operation mode，我們可以通過(guò)其實(shí)現(xiàn)OTP控制以及硬件ECC的開(kāi)關(guān)。

三、SLC Raw NAND產(chǎn)品

　　Raw NAND廠(chǎng)商產(chǎn)品有兩種，一種是裸Raw NAND芯片，另一種是含Raw NAND的存儲(chǔ)方案（比如SSD硬盤(pán)），對(duì)于嵌入式開(kāi)發(fā)而言，我們更關(guān)心的是裸Raw NAND芯片產(chǎn)品，下面痞子衡收集了可以售賣(mài)SLC Raw NAND芯片的廠(chǎng)商及產(chǎn)品系列：

廠(chǎng)商	芯片系列	官方網(wǎng)址
Micron	MT29F	https://www.micron.com slc-nand-part-catalog
Numonyx	NAND256, NAND512	https://www.micron.com slc-nand-part-catalog
Macronix	MX30LF, MX60LF	http://www.macronix.com slc-nand-part-catalog
Winbond	W29N	http://www.winbond.com.tw slc-nand-part-catalog
Spansion	S34ML, S34MS, S34SL	http://www.cypress.com/ slc-nand-part-catalog
ISSI	IS34ML, IS34MW	www.issi.com slc-nand-part-catalog
Toshiba	TC58B, TC58N	http://toshiba.semicon-storage.com
SK Hynix	H27U	http://www.hynix.com slc-nand-part-catalog
Samsung	K9F, K9K	http://www.samsung.com/semiconductor/