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　　大家好，我是痞子衡，是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家介绍的是ONFI标准及SLC Raw NAND。

　　NAND Flash是嵌入式世界里常见的存储器，对于嵌入式开发而言，NAND主要分为两大类：Serial NAND、Raw NAND，这两类NAND的差异是很大的（软件驱动开发角度而言），即使你掌握其中一种，也不代表你能了解另一种。

　　Raw NAND是相对于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，早期并行接口通信数据率是明显高于串行通信数据率的，但随着串行通信速度越来越快，并行接口速度优势显得不那么重要了，反而因信号线太多导致设计成本较高（PCB走线复杂）显得有点不合潮流。但其实这么说对Raw NAND是不公平的，现在的Serial NOR/NAND信号线其实也不少，比如高速的串行HyperFlash信号线数量已经直逼x8 bit的Raw NAND FLASH，所以Raw NAND市场还是坚挺的，你会发现各大存储厂商都还在不断推出Raw NAND FLASH产品。

一、ONFI标准由来

　　说到Raw NAND发展史，其实早期的Raw NAND没有统一标准，虽然早在1989年Toshiba便发表了NAND Flash结构，但具体到Raw NAND芯片，各厂商都是自由设计，因此尺寸不统一、存储结构差异大、接口命令不通用等问题导致客户使用起来很难受。为了改变这一现状，2006年几个主流的Raw NAND厂商（Hynix、Intel、Micron、Phison、Sony、ST）联合起来商量制订一个Raw NAND标准，这个标准叫Open NAND Flash Interface，简称ONFI，2006年12月ONFI 1.0标准正式推出，此标准一经推出大受欢迎（好像不欢迎也不行，那些大厂说了算啊），此后几乎所有的Raw NAND厂商都按照ONFI标准设计生产Raw NAND，从此Raw NAND世界清静了，不管哪家生产的Raw NAND对嵌入式设计者来说几乎都是一样的，至少在驱动代码层面是一样的，那么各厂商竞争优势在哪呢？主要在三个方面：数据存取速率、ECC能力、ONFI之外的个性化功能。

　　你可以从 下载ONFI标准手册，从2006年推出1.0标准至今，ONFI标准已经发展到4.1，这也说明了Raw NAND技术在不断更新升级。

二、SLC Raw NAND原理

2.1 Raw NAND分类

　　从软件驱动开发角度而言，Raw NAND可以从以下几个方面进一步细分：

单元层数(bit/cell)：SLC（1bit/cell） / MLC（2bit/cell） / TLC（3bit/cell） / QLC（4bit/cell）

数据线宽度：x8 / x16

信号线模式：Asynchronous / Synchronous

数据采集模式：SDR / DDR

接口命令标准：非标 / ONFI

　　本文的主要研究对象是兼容ONFI 1.0标准的Asynchronous SDR SLC NAND Flash。

2.2 Raw NAND内存模型

　　ONFI规定了Raw NAND内存单元从大到小最多分为如下5层：Device、LUN(Die)、Plane、Block、Page（如下图所示），其中Page和Block是必有的，因为Page是读写的最小单元，Block是擦除的最小单元。而LUN和Plane则不是必有的（如没有，可认为LUN=1, Plane=1），一般在大容量Raw NAND（至少8Gb以上）上才会出现。

　　根据以上5层分级的内存模型，Raw NAND地址也很自然地由如下图中多个部分组成:

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

　　可能有朋友对Plane Address bit的位置有疑问，其实结合上面内存模型图就不难理解了，每个Plane里包含的Block并不是连续的，而是与其他Plane含有的Block是交错的。

2.3 Raw NAND信号与封装

　　ONFI规定了Raw NAND信号线与封装，如下是典型的x8 Raw NAND内部结构图，除了内存单元外，还有两大组成，分别是IO控制单元和逻辑控制单元，信号线主要挂在IO控制与逻辑单元，x8 Raw NAND主要有15根信号线（其中必须的是13根，WP#和R/B#可以不用），关于各信号线具体作用，请查阅相关文档。

　　ONFI规定的封装标准有很多，比如TSOP48、LGA52、BGA63/100/132/152/272/316，其中对于嵌入式开发而言，最常用的是如下图扁平封装的TSOP-48，这种封装常用于容量较小的Raw NAND（1/2/4/8/16/32Gb），1-32Gb容量对于嵌入式设计而言差不多够用，且TSOP-48封装易于PCB设计，因此得以流行。

2.4 Raw NAND接口命令

　　ONFI 1.0规定了Raw NAND接口命令，如下表所示，其中一部分是必须要支持的（M），还有一部分是可选支持的（O）。必须支持的命令里最常用的是Read(Read Page)、Page Program、Block Erase这三条，涵盖读写擦最基本的三种操作。

　　除了读写擦这三个最基本命令外，还有一个必有命令也非常常用，这个命令是Read Status，用于获取命令执行状态与结果，ONFI规定Raw NAND内部必须包含一个8bit的状态寄存器，这个状态寄存器用来存储NAND命令执行状态与结果，其中有两个bit（RDY-SR[6]和FAIL-SR[0]）需要特别关注，RDY用于指示命令执行状态（这个bit与外部R/B#信号线功能是一致的），FAIL用于返回命令执行结果（主要是有无ECC错误）。

　　此外，还有一个必有命令不得不提，这个命令是Read Parameter Page，用于获取芯片内部存储的出厂信息（包括内存结构、特性、时序、其他行为参数等），这个Parameter Page大小为256Bytes，其结构已由ONFI规定如下表，痞子衡已经圈出了一些重要信息，在设计NAND软件驱动时，可以通过获取这个Parameter Page来做到代码通用。

2.5 Raw NAND数据速率

　　前面讲了，数据存取速率这个技术指标是各厂商竞争力的体现，对于这个指标，其实ONFI标准定义了一部分，我们知道Raw NAND数据存取操作是以Page为单位的，Page操作时间决定了数据存取速率，Page操作时间由3部分组成：

Page操作时间（t_ReadPage） = Page命令操作时间（t_Cmd） + Page命令执行等待时间（t_Busy） + Page数据操作时间（t_Data）

　　以上三部分时间里，ONFI定义了Page命令/数据操作时间标准，但Page命令执行等待时间无法强制，因此各厂商NAND速度差异主要是这个Page命令执行等待时间不同造成的。

　　以异步模式Read Page命令（0x00 - 0x30）为例讲解，下图是Read Page完整时序简图，0x00是主机发送的第一个字节，用于通知NAND Device主机想要读取Page，随后的5个字节发送的是地址数据，用于通知NAND Device主机想要从什么地址获取数据，0x30是主机发送的最后一个字节，用于通知NAND Device读取Page命令发送已经完成，至此命令操作周期已经结束，NAND Device此时开始进行内部处理流程：拉低外部引脚R/B#或将内部寄存器SR[6]置0表明我正在忙，然后从内存块里将主机指定地址所在的Page数据全部拷贝到临时缓存区（Page Buffer），对这一整个Page数据进行ECC校验，如Page数据校验通过，拉高外部引脚R/B#或将内部寄存器SR[6]置1表明我已经准备好了，至此命令执行等待周期已经结束，主机开始按Byte依次将Page数据读出来，所有Page数据全部都被读出来后，整个Read Page时序就结束了。

　　下图是命令/地址操作具体时序，根据时序图我们可以粗略计算出t_Cmd：

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

　　下图是数据读取操作具体时序，分为两种：Non-EDO模式（RE#上沿采样数据）和EDO模式（RE#下沿采样数据），从图中我们知道t_RC是RE#信号的一个周期，通俗地说，Non-EDO模式一般用于低速模式（即t_RC > 30ns时），而EDO模式一般用于高速模式（即t_RC < 30ns时）。根据时序图我们可以粗略计算出t_Data：

t_Data = dataBytesInOnePage * t_RC

　　让我们把t_Cmd和t_Data代入t_ReadPage计算公式可得如下等式，我们知道其中t_Busy是无法得知的，那么其他三个时间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

　　继续查看ONFI手册可以找到答案，ONFI规定了六种timing mode（0-5），timing mode table里指明了所有时序相关的参数数值范围，当然也包括t_WP、t_WH、t_RC，以最快的timing mode 5来计算：

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

　　我们似乎离答案更近一步了，但t_Busy是多少这个问题始终困扰着我们，其实痞子衡带你绕了路，想要知道Read Page的时间没有这么复杂，我们可以从任何一款Raw NAND数据手册的扉页Features里直接找到答案，如下是Micron生产的型号为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

　　从feature里我们可以知道t_ReadPage最小为25us（此数值应是在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让我们计算一下x8 bits下的t_ReadPage = 20ns * （2048 + 7） + 4.38us = 45.48us，再计算x8 bits下的读取数据率 2048Bytes / 45.48us = 360.246Mbps，这个数据率对于普通嵌入式应用来说其实是够快的。

2.6 Raw NAND坏块与ECC

　　Raw NAND开发绕不开坏块（Bad Block）问题，这是NAND Flash区别于NOR Flash的一个重要特点。NAND技术上允许坏块的存在，这降低了NAND生产工艺要求，因此NAND单位容量价格比NOR低。

　　既然物理上的坏块无法避免，那有什么方法可以改善/解决坏块问题呢？方法当然是有的，这个方法就是ECC（Error Correcting Code），ECC的具体实现原理详见痞子衡的另一篇文章 ，在这里你只需要知道ECC是一种错误检测与纠正算法，它通过对一定量的数据块（一般是256/512bytes）进行计算得到ECC码（一般8bytes），在Page Program时将原始Page数据与ECC码一同存入NAND Flash，在Read Page时同时获取Page数据与ECC码再进行一次计算，如果该Page数据没有ECC错误或者bit错误能够被ECC码纠正，那么Page读写操作就能够正常进行，如果bit错误个数太多不能够被纠正，那么该Page所在的块就应该被认定为一个坏块。

　　ECC能力主要根据纠正单数据块中错误bit个数来区分的，最基本的ECC只能够纠正1bit错误，强一点的ECC可以纠正4或者8个甚至更多的错误bit。

　　让我们用一款实际芯片来具体分析坏块与ECC，依旧以前面分析过的Micron生产的型号为MT29F4G08ABBxA为例，下图是其内存结构图，从图中我们可以知道这款NAND的Page大小为2KB，但如果你仔细看，你会发现每个Page还额外含有64Bytes数据，这个64Bytes区域即所谓的Spare Area，这个区域到底是干嘛用的呢？

　　下图是Spare Area的mapping图，由于每个Page是2KB，而ECC计算块是512Bytes，因此Page区域被均分为4块，分别是Main 0、1、2、3，每块大小为512Bytes，而相应的Spare Area也被均分为4块，分别是Spare 0、1、2、3，每块大小为16bytes，与Main区域一一对应。每个Spare x由2bytes坏块信息、8bytes ECC码、6bytes用户数据组成。要特别说一下的是ECC区域，当芯片硬件ECC功能开启时，8bytes ECC码区域会被自动用来存储ECC信息，而如果芯片没有硬件ECC功能，这个区域可以用来手动地存放软件ECC值。

　　下图是芯片Error管理相关信息，也包含了ECC，从图中我们可以知道这款芯片ECC是4bits，坏块是用0x00来标识的，并且承诺该芯片出厂时每个Die里所含有的4096个block最多只会有80个坏块。这些信息除了在芯片手册里可以找到之外，前面介绍过的ONFI Parameter Page也同样记录了。

2.7 Raw NAND个性化功能

　　Raw NAND还有一些个性化的功能，这个是因厂商而异的，ONFI规定了两个可选的命令Get/Set Feature，个性化功能可以通过Get/Set Feature命令来扩展。下表是ONFI 1.0规定的Feature address范围，其中0x01是Timing Mode，0x80-0xFF用于各厂商实现自己的特色功能。

　　关于Timing Mode地址的具体定义如下，ONFI规定芯片上电初始为Timing mode 0，即最低速的模式，如果我们想要更快的NAND访问速度，必须使用Set feature命令将Timing mode设置到想要的数值。

　　继续以前面分析过的Micron生产的型号为MT29F4G08ABBxA为例，下图是该芯片的Feature定义，除了ONFI规定之外，还定义了自己的特色部分（0x80, 0x81, 0x90）。

　　比如0x90定义的Array operation mode，我们可以通过其实现OTP控制以及硬件ECC的开关。

三、SLC Raw NAND产品

　　Raw NAND厂商产品有两种，一种是裸Raw NAND芯片，另一种是含Raw NAND的存储方案（比如SSD硬盘），对于嵌入式开发而言，我们更关心的是裸Raw NAND芯片产品，下面痞子衡收集了可以售卖SLC Raw NAND芯片的厂商及产品系列：

厂商	芯片系列	官方网址
Micron	MT29F
Numonyx	NAND256, NAND512
Macronix	MX30LF, MX60LF
Winbond	W29N
Spansion	S34ML, S34MS, S34SL
ISSI	IS34ML, IS34MW
Toshiba	TC58B, TC58N
SK Hynix	H27U
Samsung	K9F, K9K

　　至此，ONFI标准及SLC Raw NAND痞子衡便介绍完毕了，掌声在哪里~~~