【保姆级教程】“Flash闪存”介绍 及 “SD NAND Flash”产品的测试含例程

本篇除了对flash闪存进行简单介绍外，另给读者推荐一种我本人也在用的小容量闪存。

自带ECC校验，坏块管理，均衡读写，垃圾回收的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，尺寸最小是6mmx8mm，读取速度高大20MB/S写入速度高达10MB/S，适合大部分的应用场景，并且标准的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。

该 SD NAND Flash 产品由“深圳市雷龙发展有限公司”提供，获取更多学习资料可移步“雷龙发展”

下面我也将以该公司下的“二代 CSNP32GCR01-AOW”为例展开介绍

一、“FLASH闪存”是什么？

1. 简介

Flash是近些年应用最广、速度最快的只读存储器，原理是从 EEPROM 基础上改进发展来的，特点是擦除和编程速度快，因此得名为闪速（或闪烁）存储器，简称闪存。

NOR Flash 和 NAND Flash 是现在市场上两种主要的闪存技术。Intel于1988年首先开发出 NOR Flash 技术,彻底改变了原先由 EPROM 和 EEPROM 一统天下的局面。紧接着,1989年,东芝公司发表了 NAND Flash 结构,后者的单元电路尺寸几乎只是 NOR 器件的一半,可以在给定的芯片尺寸内提供更高的容量,也就相应地降低了价格。
NOR Flash 的特点是以字节为单位随机存取。这样，应用程序可以直接在 Flash中执行，不必再把程序代码预先读到 RAM 中。NOR Flash的接口一般以SPI为主，与通常的扩展存储器一样，可以直接连接到处理器的外围总线上。
NAND Flash应该是目前最热门的存储芯片了。因为我们生活中经常使用的电子产品都会涉及到它。比如你买手机，肯定会考虑64GB，还是256GB？买笔记本是买256GB，还是512GB容量的硬盘呢？（目前电脑大部分采用了基于 NAND Flash 产品的固态硬盘）。
NAND Flash 主要分为SLC，MLC，TLC，3D TLC ，3DQLC等，随时科技的发展和大众的需求，单位面积内的存储容量越来越大。SLC是指单个存储单元中，能容纳1bit 代表2种状态，0或者1. MLC 则是指单个存储单元中，能容纳2bit，代表4种状态 ，00,01，10,11。 TLC 则是指单个存储单元中，能容纳3bit，代表8种状态，000,001,010，011,100,101,110,111。最开始整个存储单元是2D展开的，也就是平面的，随着需要在单位空间内容纳更多的信息，就开始类似盖楼房一样，在3D也就是立体的方面来发展了。

2. 特点

2.1 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,设计师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。

2.2 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。

2.3 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。

2.4 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。创世的SD NAND就内置了坏块管理和ECC校验等功能，方便工程师更好的使用NAND FLASH。

如果在产品中选择nor flash 还是NAND FLASH，更多的时候是从容量角度来考量，如果存储的内容大于128Mbit 就选择NAND Flash ，小于128Mbit就选择 Nor flash。Nor flash受限于自己的工艺，大于128Mbit的容量，价格就会比128MB SLC NANDFLASH的价格还要贵。

3. 未来发展

当前，NAND flash正在从 2D 发展到 3D。对于 2D NAND flash，如果在同一区域实现更多的单元数量，形成更小的工作区和栅级，便能增大存储容量。直至 2010 年初，2D NAND flash中的扩展一直是这项技术的主要焦点所在；然而，由于内部结构的限制，且储存数据会随时间推移而丢失导致使用寿命缩短，2D的技术已无法再实现扩展。
因此，3D NAND flash逐渐取而代之，成为业界关注焦点，现在所有 NAND 制造商都在开发和制造 3D NAND flash产品。
在 3D NAND flash 的结构中，存储容量会随着三维叠层中堆叠层数的增加而变大，类似盖楼房，一层一层叠加上去。3D NAND flash 使用了堆叠多层氮氧化物的方法，形成一个被称为“塞子”的垂直深孔，在其中形成一个由氧化物-氮化物-氧化物制成的存储设备。通过这种方法，仅需少量工艺即可同时形成大量单元。在 3D NAND flash 中，电流通过位于圆柱单元中心的多晶硅通道，便能根据存储在氮化硅中的电荷类型实现存储编程和擦除信息。虽然2D NAND flash 技术发展的目标是实现形成较小的单元， 3D NAND flash 的核心技术却是实现更多层数的三维堆叠。

二、SD NAND Flash

这里我以贴片式TF卡“CSNP32GCR01-AOW” （内置MLC的存储单元）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;}
}

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