NAND or NOR，如何選用合適的閃存進(jìn)行設(shè)計(jì)?

選擇NAND還是NOR，這確實(shí)是個(gè)問(wèn)題。不同的應(yīng)用和功能應(yīng)該選用不同類型的閃存。

　　在尋找完美“通用存儲(chǔ)器”的過(guò)程中，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師就象是戲劇《等待戈多》中的人物一樣，他們一直等待舞臺(tái)下的人物“戈多”走上舞臺(tái)，同時(shí)又在猜測(cè)舞臺(tái)上正在表演的人物或新人中哪個(gè)是戈多。

　　正如大家所知的那樣，從20世紀(jì)70年代開始，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)樣一直在等待“舞臺(tái)下”出現(xiàn)一種叫作“通用存儲(chǔ)器”的“半導(dǎo)體人物”，以便取代從大型機(jī)、迷你計(jì)算機(jī)和臺(tái)式機(jī)傳承下來(lái)的存儲(chǔ)層次（memory hierarchy）體系：非易失性硬盤用于長(zhǎng)期的海量存儲(chǔ)和備份，動(dòng)態(tài)RAM用于局部快速存儲(chǔ)器訪問(wèn)，而SRAM和ROM則分別專門用于快速存取和代碼存儲(chǔ)。

　　隨著運(yùn)算結(jié)構(gòu)的嵌入、移動(dòng)和便攜特性越來(lái)越突出，這種需求也越來(lái)越強(qiáng)烈，作為“通用存儲(chǔ)器”的候選產(chǎn)品開始陸續(xù)登場(chǎng)。有些產(chǎn)品，如EEPROM、EPROM、UV-EPROM、鐵電RAM和各種偽RAM組合已經(jīng)開始走下坡路，磁性RAM等其它產(chǎn)品雖開始受到矚目，但由于眾多經(jīng)濟(jì)和技術(shù)原因卻受到質(zhì)疑。

　　不過(guò)，目前的一些“角色”特別是各種NAND和NOR閃速EPROM正在被它們的供應(yīng)商吹捧為“舞臺(tái)下人物”－通用存儲(chǔ)器，或者至少是它的“親戚”或“很近的朋友”，這其中包括了OneNAND、OrNAND、iNAND、GBNAND、moviNAND、ManagedNAND和NANDrive等。由于有眾多“演員”急于要擔(dān)當(dāng)角色，因此選擇正確的存儲(chǔ)器子系統(tǒng)已變得越來(lái)越復(fù)雜，特別是在你既要給移動(dòng)和嵌入式系統(tǒng)增加更多的多媒體功能，同時(shí)又要縮小物理尺寸和降低系統(tǒng)總成本的時(shí)候，系統(tǒng)中不僅代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器需求會(huì)有所增加，而且你設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)必須更加精簡(jiǎn)可靠。

　　閃存是最實(shí)用的解決方案，但了解哪種閃存最適合系統(tǒng)使用是關(guān)鍵。NAND、NOR、可管理NAND和一些混合存儲(chǔ)器中哪種才是最佳選擇呢？

　　NAND閃存是一種需要缺陷管理的高密度低價(jià)格非易失性存儲(chǔ)器，用這種存儲(chǔ)器來(lái)滿足這些不斷增長(zhǎng)的代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器需求會(huì)使存儲(chǔ)器子系統(tǒng)更加復(fù)雜。再加上需要支持不同的存儲(chǔ)器類型、接口、供應(yīng)商和特殊供應(yīng)商規(guī)范，因此存儲(chǔ)器子系統(tǒng)將愈加復(fù)雜。

　　一個(gè)完整、可管理的存儲(chǔ)器子系統(tǒng)解決方案可以用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的RAM(PSRAM或SDR/DDR SDRAM)接口來(lái)設(shè)計(jì)。這種可管理的存儲(chǔ)器子系統(tǒng)可以與主芯片組/處理器實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成，并且主系統(tǒng)無(wú)需再要應(yīng)對(duì)內(nèi)嵌存儲(chǔ)器件的復(fù)雜性和不足問(wèn)題。

　　與NAND閃存不同的是，NOR閃存是目前嵌入式系統(tǒng)中最老也是應(yīng)用最廣泛的存儲(chǔ)器之一，它可以用于代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。其主要優(yōu)點(diǎn)是代碼可以直接在NOR閃存中執(zhí)行。另外，NOR閃存可以直接與主處理器接口，因此設(shè)計(jì)方便，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速上市。

　　隨著嵌入式系統(tǒng)中多媒體功能的增加，對(duì)代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求也不斷上升。對(duì)這些應(yīng)用而言，與其它方案(如NAND閃存)相比，采用更高密度的NOR閃存做代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)將提升成本。另外，目前最高密度的NOR閃存只有1Gb。而且多媒體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器需要較高的讀寫性能。因此在許多嵌入式應(yīng)用(例如高端手機(jī))中系統(tǒng)設(shè)計(jì)師轉(zhuǎn)用NAND閃存來(lái)存儲(chǔ)多媒體文件和應(yīng)用代碼。

用于代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的NAND

　　NAND閃存非常適合需要大量代碼存儲(chǔ)(如操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序)以及大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的應(yīng)用，因?yàn)镹AND閃存不貴，而且可以提供較高的密度(一個(gè)裸片可高達(dá)16Gb)。與NOR不同的是，NAND閃存不支持芯片內(nèi)執(zhí)行(XIP)或隨機(jī)存取。因此一些使用NAND閃存的系統(tǒng)需要一個(gè)低密度的NOR閃存用于系統(tǒng)啟動(dòng)和BIOS代碼執(zhí)行。在其它系統(tǒng)中，NAND閃存控制器或主處理器中的嵌入式啟動(dòng)ROM可提供啟動(dòng)功能。在系統(tǒng)啟動(dòng)后，基于NAND的系統(tǒng)將使用代碼映射或需求分頁(yè)功能執(zhí)行代碼。在代碼映射模式下，整個(gè)操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序?qū)腘AND閃存挎貝到系統(tǒng)RAM，而在需求分頁(yè)模式時(shí)，將根據(jù)需要將部分操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序挎貝到系統(tǒng)RAM中執(zhí)行。

　　雖然NAND閃存與NOR相比價(jià)格便宜，而且有更高的密度，但NAND可靠性低，對(duì)許多應(yīng)用而言需要輔以包括誤差檢測(cè)和糾正以及損耗均衡在內(nèi)的缺陷管理手段才具有可用性。這些NAND閃存管理功能要求復(fù)雜的硬件和軟件。圖1顯示了主芯片組與獨(dú)立NAND閃存相接口的系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中，缺陷管理功能必須由主芯片組來(lái)實(shí)現(xiàn)。在主處理器上運(yùn)行這種閃存管理功能需要一定的軟件開發(fā)，并且要耗用一些主機(jī)的CPU和存儲(chǔ)器資源，因此容易降低系統(tǒng)總性能。

圖1：主芯片組與獨(dú)立NAND閃存直接接口的系統(tǒng)框圖。

　　隨著NAND閃存供應(yīng)商采用越來(lái)越小的工藝尺寸，單層單元(SLC)NAND閃存的ECC(糾錯(cuò)碼)要求已經(jīng)從每512字節(jié)扇區(qū)的1位增加到4位，而多層單元(MLC)NAND閃存也從每512字節(jié)扇區(qū)的4位增加到8位糾錯(cuò)編碼。頁(yè)面尺寸則從512字節(jié)增加到4096字節(jié)。一些較小尺寸的SLC NAND閃存的可用性則從10萬(wàn)次降低到5萬(wàn)次，MLC NAND閃存的可用性從1萬(wàn)次下降到5千次(某些情況下為3千次!)。為了減少系統(tǒng)中分立器件的數(shù)量，許多芯片組供應(yīng)商開始在芯片組中集成NAND閃存控制器，這樣芯片組就能直接接口獨(dú)立的NAND閃存。不過(guò)由于芯片組設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，芯片組供應(yīng)商很難跟上NAND閃存技術(shù)的發(fā)展步伐。因此芯片組中的嵌入式NAND閃存控制器功能經(jīng)常落后于NAND閃存技術(shù)。

　　也有些解決方案與標(biāo)準(zhǔn)NAND閃存相似，但可以提供更好的性能和功能。例如，OneNAND就是NAND閃存的一個(gè)變種，它在同一器件中整合了RAM和獨(dú)立SLC NAND閃存，因此可以提供啟動(dòng)功能和更快的讀取速度。OneNAND要求每512字節(jié)扇區(qū)1位ECC，并且可以在主芯片組中或獨(dú)立的控制器中實(shí)現(xiàn)NAND閃存管理功能。

　　OrNAND則整合了MirrorBit NOR和NAND閃存接口，它可以比以前的NOR器件提供更快的寫入速度。OrNAND同樣在主芯片組中或獨(dú)立控制器只要求執(zhí)行1位的ECC便可確?？煽康南到y(tǒng)啟動(dòng)。不過(guò)OrNAND支持的最大密度目前只有1Gb，低于現(xiàn)有NAND閃存的最大密度。

用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可管理NAND

　　由于嵌入式NAND控制器的局限性，許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在尋求可管理的NAND方案。有多家供應(yīng)商已能提供可管理的NAND存儲(chǔ)器產(chǎn)品，它們能降低嵌入式應(yīng)用中傳統(tǒng)存儲(chǔ)子系統(tǒng)的復(fù)雜性。這些可管理NAND存儲(chǔ)器產(chǎn)品包括了iNAND、GBNAND、moviNAND、可管理NAND和NANDrive，主要用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。通過(guò)有效管理帶NAND控制器的內(nèi)置NAND閃存和集成在相同器件中的閃存文件系統(tǒng)(FFS)，它們降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，如圖2所示。為了更加方便集成，這些產(chǎn)品采用標(biāo)準(zhǔn)的接口，如安全數(shù)據(jù)接口(SD)、多媒體卡(MMC)或先進(jìn)技術(shù)附件規(guī)格(ATA)。例如，iNAND和GBNAND采用的是SD接口，moviNAND和可管理NAND采用的是MMC接口，NANDrive采用的則是ATA接口。這些接口不能提供XIP訪問(wèn)，因此采用這些器件的系統(tǒng)可能還需要一個(gè)NOR閃存用于啟動(dòng)功能。

圖2：可管理NAND存儲(chǔ)器主要用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，它通過(guò)管理帶NAND控制器的內(nèi)置NAND閃存和集成在同一器件中的閃存文件系統(tǒng)降低了系統(tǒng)復(fù)雜性。

　　使用可管理NAND器件后，主芯片組就無(wú)需集成復(fù)雜的NAND管理功能。因此芯片供應(yīng)商不再為要緊跟不斷演變的NAND技術(shù)而憂心，從而讓供應(yīng)商能專注于提高他們的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

可管理NAND混合產(chǎn)品

　　因?yàn)榭晒芾鞱AND閃存不提供啟動(dòng)功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師仍必須使用較昂貴的NOR閃存器件來(lái)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)。不過(guò)包括mDOC H3在內(nèi)的混合產(chǎn)品已經(jīng)面世。這些混合器件在同一個(gè)器件中通過(guò)集成RAM和可管理NAND來(lái)簡(jiǎn)化傳統(tǒng)的存儲(chǔ)子系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3：一些混合解決方案將RAM和可管理NAND集成在同一個(gè)器件中。

　　混合產(chǎn)品解決了與可管理NAND相關(guān)的啟動(dòng)問(wèn)題。它們可以直接從NAND閃存啟動(dòng)，無(wú)需較昂貴的啟動(dòng)用NOR閃存器件，從而有效降低了系統(tǒng)總成本?？晒芾鞱AND混合產(chǎn)品也有助于減少元器件數(shù)量，節(jié)省電路板面積，這使它們非常適合于諸如手機(jī)等空間較敏感的應(yīng)用。因?yàn)槭褂肗AND閃存來(lái)實(shí)現(xiàn)非易失性存儲(chǔ)，因此這種解決方案可以提供更高的密度。

　　NAND混合器件的缺點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，因?yàn)樗鼈冊(cè)谏想姾蟊仨殞?dòng)代碼從NAND挎貝進(jìn)啟動(dòng)RAM。另外，NAND混合器件非常復(fù)雜，很難集成，并且要求先進(jìn)的操作系統(tǒng)支持主芯片組上的需求分頁(yè)。

　　mDOC H3通過(guò)NOR類總線連接主處理器，相比NAND閃存能提供更快的讀取性能，也可以比NOR提供更快的寫入性能。由于具有更快的寫入速度，這些器件非常適合用來(lái)存儲(chǔ)多媒體數(shù)據(jù)。

　　使用可管理的NAND或者具有啟動(dòng)功能的可管理NAND混合產(chǎn)品不會(huì)顯著降低存儲(chǔ)子系統(tǒng)的總體復(fù)雜性。因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)師仍然要處理與不同存儲(chǔ)器類型、接口、供應(yīng)商、特殊供應(yīng)商規(guī)范等有關(guān)的復(fù)雜問(wèn)題。這類存儲(chǔ)子系統(tǒng)要求更多元器件、更多引腳和復(fù)雜的軟硬件開發(fā)，因此將增加系統(tǒng)成本、電路板面積、開發(fā)時(shí)間和功耗。同時(shí)，它們還將提升主處理器中的外部存儲(chǔ)器控制器的復(fù)雜度。因此，這些混合器件還不夠成熟。當(dāng)前系統(tǒng)需要一種易用、單標(biāo)準(zhǔn)總線、完整的可管理存儲(chǔ)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及系統(tǒng)RAM，并且所有功能都集中在一個(gè)器件中。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要的是一個(gè)完整的存儲(chǔ)子系統(tǒng)，它能提供數(shù)百兆XIP代碼存儲(chǔ)，且能滿足目前多媒體應(yīng)用不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。理想解決方案應(yīng)充分整合NOR(快速讀取)、NAND(較低成本和較高密度)和RAM(簡(jiǎn)單總線操作)的優(yōu)勢(shì)，而且必須易用、易設(shè)計(jì)，并有完善的可管理性。因而，這樣的解決方案需要很少甚至不需要額外的硬件或軟件開發(fā)，可提供標(biāo)準(zhǔn)接口，無(wú)需任何膠合邏輯就能實(shí)現(xiàn)與主芯片組/處理器的無(wú)縫集成，從而使得存儲(chǔ)子系統(tǒng)的訪問(wèn)象SRAM一樣簡(jiǎn)單方便。

　　這種存儲(chǔ)子系統(tǒng)解決方案中的內(nèi)置控制器必須實(shí)現(xiàn)ECC、壞塊管理和損耗均衡功能，以便應(yīng)對(duì)內(nèi)置NAND閃存的缺陷。這個(gè)控制器還必須能應(yīng)對(duì)所有內(nèi)置存儲(chǔ)器(NOR、NAND和RAM)的復(fù)雜性和不足，從而代替主系統(tǒng)完成這些復(fù)雜的管理功能。

　　另外，這種解決方案還必須通過(guò)降低材料、開發(fā)和制造成本來(lái)滿足系統(tǒng)總成本要求。而且還必須通過(guò)提供方便集成、可擴(kuò)展的解決方案來(lái)滿足移動(dòng)和消費(fèi)電子設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)師對(duì)縮短面市時(shí)間的要求。

下一代存儲(chǔ)子系統(tǒng)

　　目前面市的可管理存儲(chǔ)子系統(tǒng)可以提供上述所有性能和好處。如圖4所示的這種配置由一個(gè)帶內(nèi)置啟動(dòng)NOR閃存的存儲(chǔ)器控制器、NAND閃存和RAM組成，并且全部集成在一個(gè)封裝內(nèi)。在NAND閃存前使用了RAM緩存，這樣有助于控制器處理需求分頁(yè)和其它存儲(chǔ)器管理功能。另外，RAM緩存使存儲(chǔ)子系統(tǒng)線性可尋址，變得象SRAM一樣簡(jiǎn)單。

圖4：全功能存儲(chǔ)器是可管理存儲(chǔ)子系統(tǒng)的一個(gè)示例，它在同一個(gè)封裝內(nèi)同時(shí)集成了帶內(nèi)置啟動(dòng)NOR閃存的存儲(chǔ)器控制器、NAND閃存和RAM(a)?？刂破骺梢蕴幚硇枨蠓猪?yè)和其它存儲(chǔ)器管理功能(b)。

　　RAM塊劃分成兩個(gè)主處理器可訪問(wèn)、用戶可配置的部分：一個(gè)是用于偽NOR(PNOR)的緩存部分，一個(gè)是用于主處理器的系統(tǒng)RAM部分。NAND塊用于PNOR區(qū)域和存儲(chǔ)器映射的ATA NAND磁盤區(qū)的非易失存儲(chǔ)器?？膳渲肞NOR塊通過(guò)使用RAM緩存和NAND閃存模擬NOR功能。因?yàn)镹AND是用于主要的非易失存儲(chǔ)介質(zhì)，因此這種解決方案可以提供較大的XIP代碼存儲(chǔ)，可有效地代替?zhèn)鹘y(tǒng)高成本、高密度NOR閃存。通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)RAM(PSRAM或SDR/DDR SDRAM)總線上使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ATA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)協(xié)議，該解決方案可以為日趨增長(zhǎng)的多媒體應(yīng)用提供強(qiáng)大的ATA類數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。另外，PNOR塊中的RAM緩存還能減少對(duì)NAND閃存的直接讀寫訪問(wèn)，從而有助于提高代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的耐用性和可靠性。

　　因?yàn)檫@種可管理存儲(chǔ)子系統(tǒng)采用了很小的封裝，因此可以簡(jiǎn)化主處理器接口、減少系統(tǒng)復(fù)雜性、縮短設(shè)計(jì)時(shí)間、降低系統(tǒng)總成本并提高系統(tǒng)質(zhì)量和可靠性。其它好處還包括用戶可配置的XIP PNOR區(qū)、用于MLC和SLC NAND的超強(qiáng)硬件檢錯(cuò)和糾錯(cuò)以及向更高密度的可擴(kuò)展性等。由于不需要復(fù)雜的軟硬件開發(fā)，這種可管理的存儲(chǔ)子系統(tǒng)也許就是大家盼望已久的“戈多”。

　　轉(zhuǎn)載,信息來(lái)自維庫(kù)電子市場(chǎng)網(wǎng)（）