eMMC基础技术11：flash memory

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0.前言

eMMC 是 Flash Memory 的一类，在详细介绍 eMMC 之前，先简单介绍一下 Flash Memory。

Flash Memory 是一种非易失性的存储器。在嵌入式系统中通常用于存放系统、应用和数据等。

在 PC 系统中，则主要用在固态硬盘以及主板 BIOS 中。另外，绝大部分的 U 盘、SDCard 等移动存储设备也都是使用 Flash Memory 作为存储介质。

1. Flash Memory 的主要特性

与传统的硬盘存储器相比，Flash Memory 具有质量轻、能耗低、体积小、抗震能力强等的优点，但也有不少局限性，主要如下：

1. 需要先擦除再写入
   Flash Memory 写入数据时有一定的限制。它只能将当前为 1 的比特改写为 0，而无法将已经为 0 的比特改写为 1，只有在擦除的操作中，才能把整块的比特改写为 1。

2. 块擦除次数有限
   Flash Memory 的每个数据块都有擦除次数的限制（十万到百万次不等），擦写超过一定次数后，该数据块将无法可靠存储数据，成为坏块。
   为了最大化的延长 Flash Memory 的寿命，在软件上需要做擦写均衡（Wear Leveling），通过分散写入、动态映射等手段均衡使用各个数据块。同时，软件还需要进行坏块管理（Bad Block Management，BBM），标识坏块，不让坏块参与数据存储。（注：除了擦写导致的坏块外，Flash Memory 在生产过程也会产生坏块，即固有坏块。

3. 读写干扰
   由于硬件实现上的物理特性，Flash Memory 在进行读写操作时，有可能会导致邻近的其他比特发生位翻转，导致数据异常。这种异常可以通过重新擦除来恢复。Flash Memory 应用中通常会使用 ECC 等算法进行错误检测和数据修正。

4. 电荷泄漏
   存储在 Flash Memory 存储单元的电荷，如果长期没有使用，会发生电荷泄漏，导致数据错误。不过这个时间比较长，一般十年左右。此种异常是非永久性的，重新擦除可以恢复。

2. NOR Flash 和 NAND Flash

根据硬件上存储原理的不同，Flash Memory 主要可以分为 NOR Flash 和 NAND Flash 两类。 主要的差异如下所示：

NOR/NAND	读取速度	写入速度	最大擦除次数	擦除单位	擦除时间	是否支持片上执行	软件驱动复杂度	数据读取单位	成本	体积
NOR FLASH	相当	慢	少	块	约5s	是	简单	字节	高	大
NAND FLASH	相当	快	多	块	<=4ms	否	复杂	块	低	小

图 nor flash 与 nand flash特性对比

2.1 NOR Flash

图片： Parallel NOR Flash 与 Serial NOR Flash

NOR Flash 根据与 CPU 端接口的不同，可以分为 Parallel NOR Flash 和 Serial NOR Flash 两类。
Parallel NOR Flash 可以接入到 Host 的 SRAM/DRAM Controller 上，所存储的内容可以直接映射到 CPU 地址空间，不需要拷贝到 RAM 中即可被 CPU 访问，因而支持片上执行。

Serial NOR Flash 的成本比 Parallel NOR Flash 低，主要通过 SPI 接口与 Host 连接。

鉴于 NOR Flash 擦写速度慢，成本高等特性，NOR Flash 主要应用于小容量、内容更新少的场景，例如 PC 主板 BIOS、路由器系统存储等。

更多 NOR Flash 的相关细节，请参考 NOR Flash 章节。

2.2 NAND Flash

图1 NAND Flash Interface

NAND Flash 需要通过专门的 NFI（NAND Flash Interface）与 Host 端进行通信，如图1所示

图2 SLC、MLC 与 TLC存储单元

NAND Flash 根据每个存储单元内存储比特个数的不同，可以分为 SLC（Single-Level Cell）、MLC（Multi-Level Cell） 和 TLC（Triple-Level Cell） 三类：

其中，在一个存储单元中，SLC 可以存储 1 个比特，MLC 可以存储 2 个比特，TLC 则可以存储 3 个比特。

NAND Flash 的一个存储单元内部，是通过不同的电压等级，来表示其所存储的信息的。

• 在 SLC 中，存储单元的电压被分为两个等级，分别表示 0 和 1 两个状态，即 1 个比特
• 在 MLC 中，存储单元的电压则被分为 4 个等级，分别表示 00 01 10 11 四个状态，即 2 个比特位。
• 在 TLC 中，存储单元的电压被分为 8 个等级，存储 3 个比特信息。

NAND Flash 的单个存储单元存储的比特位越多，读写性能会越差，寿命也越短，但是成本会更低。Table 1 中，给出了特定工艺和技术水平下的成本和寿命数据。

NAND分类	制造成本	擦写次数	存储单元
SLC	30-35 美元 / 32GB	10万次或更高	1 bit / cell
MLC	17 美元 / 32GB	1万次或更高	2 bits / cell
TLC	9-12 美元 / 32GB	5000次甚至更高	3 bits / cell

Table 1 SLC/MLC/TLC 比较

（注：以上数据来源于互联网，仅供参考）

相比于 NOR Flash，NAND Flash 写入性能好，大容量下成本低。目前，绝大部分手机和平板等移动设备中所使用的 eMMC 内部的 Flash Memory 都属于 NAND Flash。PC 中的固态硬盘中也是使用 NAND Flash。

更多 NAND Flash 的相关细节，请参考 NAND Flash 章节。

3. Raw Flash 和 Managed Flash

由于 Flash Memory 存在按块擦写、擦写次数的限制、读写干扰、电荷泄露等的局限，为了最大程度的发挥 Flash Memory 的价值，通常需要有一个特殊的软件层次，实现坏块管理、擦写均衡、ECC、垃圾回收等的功能，这一个软件层次称为 FTL（Flash Translation Layer）。

在具体实现中，根据 FTL 所在的位置的不同，可以把 Flash Memory 分为 Raw Flash 和 Managed Flash 两类。

图3 Raw Flash 和 Managed Flash

• Raw Flash

在此类应用中，在 Host 端通常有专门的 FTL 或者 Flash 文件系统来实现坏块管理、擦写均衡等的功能。Host 端的软件复杂度较高，但是整体方案的成本较低，常用于价格敏感的嵌入式产品中。
通常我们所说的 NOR Flash 和 NAND Flash 都属于这类型。

• Managed Flash

Managed Flash 在其内部集成了 Flash Controller，用于完成擦写均衡、坏块管理、ECC校验等功能。

相比于直接将 Flash 接入到 Host 端，Managed Flash 屏蔽了 Flash 的物理特性，对 Host 提供标准化的接口，可以减少 Host 端软件的复杂度，让 Host 端专注于上层业务，省去对 Flash 进行特殊的处理。
eMMC、SD Card、UFS、U 盘等产品是属于 Managed Flash 这一类。

4. 参考资料

1. NOR NAND Flash Guide: Selecting a Flash Storage Solution [PDF]
2. Wiki: Common Flash Memory Interface [Web]
3. Quick Guide to Common Flash Interface [PDF]
4. MICRON NOR Flash Technology [Web]
5. MICRON NAND Flash Technology [Web]
6. Wiki：闪存 [Web]
7. Wiki：Flash File System [Web]
8. Wear Leveling in Micron® NAND Flash Memory [PDF]
9. Understanding Flash: The Flash Translation Layer [Web]
10. 谈NAND Flash的底层结构和解析 [Web]
11. 闪存基础 [Web]
12. Open NAND Flash Interface (ONFI) [Web]