鎂光256Gb NAND Flash芯片介紹
總體概述
穎特新科技帶您了解該芯片是一款典型的大容量NAND Flash存儲(chǔ)顆粒，支持Open NAND Flash Interface (ONFI) 2.1的接口標(biāo)準(zhǔn)，采用ONFI NANDFlash的操作協(xié)議。該芯片采用Multiple-level Cell （MLC）技術(shù)，根據(jù)不同的容量，一個(gè)芯片內(nèi)部封裝了多個(gè)DIE（LUN），每個(gè)DIE由兩個(gè)Plane構(gòu)成，一個(gè)Plane可以分成2048個(gè)Block，每個(gè)Block由256頁組成，一個(gè)頁的大小為8KB+448B的組織結(jié)構(gòu)方式。
在性能方面，一個(gè)Page頁的讀延遲在50us左右，頁編程時(shí)間為900us，塊擦除時(shí)間長達(dá)3ms。每個(gè)塊的標(biāo)稱擦除壽命達(dá)到5000次。
芯片接口及信號(hào)
鎂光的芯片支持同步和異步兩種接口模式。在異步接口模式下，采用5個(gè)控制信號(hào)，分別為#CE，CLE，ALE，#WE和#RE，另外#WP用于控制芯片的寫保護(hù)，R/#B用于檢測芯片的當(dāng)前狀態(tài)。在同步操作模式下，#WR引腳為時(shí)鐘輸入信號(hào)，#RE信號(hào)為讀寫方向指示信號(hào)。
NAND Flash的接口信號(hào)具體定義如下：
一個(gè)NAND Flash物理芯片可以由多個(gè)DIE（或者稱之為LUN）的單元構(gòu)成，每個(gè)DIE會(huì)有一套獨(dú)立的上述提及的控制信號(hào)線。一個(gè)DIE中會(huì)存在若干個(gè)Plane，每個(gè)Plane有許多Block單元組成，一個(gè)Block單元是一個(gè)最小的擦除單位，并且有數(shù)量較多的Page頁構(gòu)成，每次寫的最小單元就是一個(gè)Page頁。對(duì)于容量較小的芯片，芯片廠商只會(huì)封裝一個(gè)DIE，每個(gè)DIE的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：
對(duì)于鎂光512Gb芯片，一個(gè)DIE內(nèi)部集成了兩個(gè)Plane，通過一套控制信號(hào)線和寄存器控制內(nèi)部的兩個(gè)Plane同時(shí)并發(fā)工作。值得一提的是，多個(gè)DIE（LUN）可能會(huì)共享一套控制信號(hào)線，因此，在物理上多個(gè)DIE會(huì)被封裝成一個(gè)Target。需要注意的是，同一個(gè)Target內(nèi)部的DIE雖然共享了物理信號(hào)線，但是寄存器都是相互獨(dú)立的。因此，從結(jié)構(gòu)上來看，一個(gè)NAND Flash的內(nèi)部架構(gòu)可以只由一個(gè)DIE（LUN）構(gòu)成，如下圖所示：
也可以在一個(gè)芯片中集成多個(gè)DIE（LUN），每個(gè)DIE擁有一套獨(dú)立的物理信號(hào)線，如下圖所示：
在高密的封裝中，沒有那么多的物理信號(hào)線，那么同一個(gè)Target中會(huì)集成多個(gè)DIE（LUN），如果下圖所示：
無論如何去封裝，每個(gè)DIE（LUN）中的基本結(jié)構(gòu)是相同的。
NAND Flash存儲(chǔ)單元
NAND Flash中一個(gè)DIE（LUN）中的存儲(chǔ)單元通常由多個(gè)Plane構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如下：
上圖所示的一個(gè)Page頁大小為8KB，考慮到spare area的448字節(jié)空間，因此需要14位地址訪問一個(gè)page頁，即地址信號(hào)的最低14位為頁內(nèi)地址。一個(gè)block塊內(nèi)部有256個(gè)page頁，需要8位地址（Page address，PA）信息去訪問一個(gè)block塊內(nèi)部的不同page頁。一個(gè)Plane內(nèi)部存在2048個(gè)block塊，需要11位（Block address，BA）去訪問一個(gè)Plane中的不同block塊。一個(gè)DIE（LUN）中存在2個(gè)Plane，需要一位地址位去訪問一個(gè)DIE中的不同Plane。因此，40位地址信息的定義如下表所示：
CA0~CA13為頁內(nèi)偏移訪問地址信息，PA0~PA7為頁地址信息，BA8為DIE中的Plane選擇地址位，BA9~BA19為DIE中的塊地址信息，另外，LA0為一個(gè)Target中的DIE（LUN）選擇地址位，在該NANDFlash芯片中，一個(gè)Target中可以集成2個(gè)DIE。
在每個(gè)Plane單元中都存在兩個(gè)寄存器：一個(gè)為cache寄存器；另一個(gè)為data寄存器。Cache寄存器的作用是緩存NAND Flash控制器輸入的數(shù)據(jù)，而data寄存器的作用是提升數(shù)據(jù)讀取和寫入的性能，數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)加載之間的操作。在數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)寫入的過程中，都提供了流水并發(fā)操作模式，這類模式都充分利用了這個(gè)data寄存器。
讀寫操作時(shí)序
鎂光的NAND Flash芯片提供了兩種操作模式，一種為異步操作模式；另一種為同步操作模式。異步操作是一種比較傳統(tǒng)的接口模式，NAND Flash和控制器處于兩個(gè)時(shí)鐘域，所有的信號(hào)在數(shù)據(jù)傳輸過程中都需要進(jìn)行同步操作，因此性能比較差。同步操作由外部提供參考時(shí)鐘，NAND Flash和控制器處于同一個(gè)時(shí)鐘域，可以獲取較高的讀寫性能。
異步操作
異步操作模式非常適合單片機(jī)之類的控制器對(duì)其進(jìn)行操作，不需要特殊的NAND Flash控制器，普通的總線操作就可以對(duì)NAND Flash進(jìn)行控制操作。異步數(shù)據(jù)寫操作的時(shí)序如下圖所示：
在#WE信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，DQ總線上輸入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，并且在#WE信號(hào)上升沿之后需要保持tDH時(shí)間。在#WE信號(hào)上升沿驅(qū)動(dòng)下，DQ總線上的數(shù)據(jù)被鎖存到NAND Flash的數(shù)據(jù)寄存器中。
在RDY信號(hào)為高電平時(shí)，說明可以從NAND Flash指定位置中讀取數(shù)據(jù)，讀操作的時(shí)序如下圖所示：
在讀信號(hào)#RE的下降沿驅(qū)動(dòng)下，數(shù)據(jù)從NAND Flash中輸出到數(shù)據(jù)總線DQ上。NAND Flash控制器可以在#RE信號(hào)的上升沿采樣數(shù)據(jù)總線DQ上的數(shù)據(jù)。當(dāng)NAND Flash控制器給定的讀信號(hào)頻率較快時(shí)，通過#RE上升沿信號(hào)無法正確采樣數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過下一個(gè)#RE信號(hào)的下降沿采樣總線上的輸出數(shù)據(jù)。如下圖所示：
因此，在異步總線操作時(shí)，需要考慮#RE讀信號(hào)頻率和tRC之間的時(shí)間關(guān)系。通過這個(gè)時(shí)間關(guān)系來確定具體的讀數(shù)據(jù)采樣方式。
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編輯：simon 最后修改時(shí)間：2019-07-07
