痞子衡嵌入式：並行介面NAND標準(ONFI)及SLC Raw NAND簡介

　　大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是ONFI標準及SLC Raw NAND。

　　NAND Flash是嵌入式世界里常見的存儲器，對於嵌入式開發而言，NAND主要分為兩大類：Serial NAND、Raw NAND，這兩類NAND的差異是很大的（軟體驅動開發角度而言），即使你掌握其中一種，也不代表你能瞭解另一種。
　　Raw NAND是相對於Serial NAND而言的，Serial NAND即串列介面的NAND Flash，而Raw NAND是並行介面的NAND FLASH，早期並行介面通信數據率是明顯高於串列通信數據率的，但隨著串列通信速度越來越快，並行介面速度優勢顯得不那麼重要了，反而因信號線太多導致設計成本較高（PCB走線複雜）顯得有點不合潮流。但其實這麼說對Raw NAND是不公平的，現在的Serial NOR/NAND信號線其實也不少，比如高速的串列HyperFlash信號線數量已經直逼x8 bit的Raw NAND FLASH，所以Raw NAND市場還是堅挺的，你會發現各大存儲廠商都還在不斷推出Raw NAND FLASH產品。

一、ONFI標準由來

　　說到Raw NAND發展史，其實早期的Raw NAND沒有統一標準，雖然早在1989年Toshiba便發表了NAND Flash結構，但具體到Raw NAND晶元，各廠商都是自由設計，因此尺寸不統一、存儲結構差異大、介面命令不通用等問題導致客戶使用起來很難受。為了改變這一現狀，2006年幾個主流的Raw NAND廠商（Hynix、Intel、Micron、Phison、Sony、ST）聯合起來商量制訂一個Raw NAND標準，這個標準叫Open NAND Flash Interface，簡稱ONFI，2006年12月ONFI 1.0標準正式推出，此標準一經推出大受歡迎（好像不歡迎也不行，那些大廠說了算啊），此後幾乎所有的Raw NAND廠商都按照ONFI標準設計生產Raw NAND，從此Raw NAND世界清靜了，不管哪家生產的Raw NAND對嵌入式設計者來說幾乎都是一樣的，至少在驅動代碼層面是一樣的，那麼各廠商競爭優勢在哪呢？主要在三個方面：數據存取速率、ECC能力、ONFI之外的個性化功能。
　　你可以從 ONFI官網 下載ONFI標準手冊，從2006年推出1.0標準至今，ONFI標準已經發展到4.1，這也說明瞭Raw NAND技術在不斷更新升級。

二、SLC Raw NAND原理

2.1 Raw NAND分類

　　從軟體驅動開發角度而言，Raw NAND可以從以下幾個方面進一步細分：

單元層數(bit/cell)：SLC（1bit/cell） / MLC（2bit/cell） / TLC（3bit/cell） / QLC（4bit/cell）
數據線寬度：x8 / x16
信號線模式：Asynchronous / Synchronous
數據採集模式：SDR / DDR
介面命令標準：非標 / ONFI

　　本文的主要研究對象是相容ONFI 1.0標準的Asynchronous SDR SLC NAND Flash。

2.2 Raw NAND記憶體模型

　　ONFI規定了Raw NAND記憶體單元從大到小最多分為如下5層：Device、LUN(Die)、Plane、Block、Page（如下圖所示），其中Page和Block是必有的，因為Page是讀寫的最小單元，Block是擦除的最小單元。而LUN和Plane則不是必有的（如沒有，可認為LUN=1, Plane=1），一般在大容量Raw NAND（至少8Gb以上）上才會出現。

　　根據以上5層分級的記憶體模型，Raw NAND地址也很自然地由如下圖中多個部分組成:

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

　　可能有朋友對Plane Address bit的位置有疑問，其實結合上面記憶體模型圖就不難理解了，每個Plane里包含的Block並不是連續的，而是與其他Plane含有的Block是交錯的。

2.3 Raw NAND信號與封裝

　　ONFI規定了Raw NAND信號線與封裝，如下是典型的x8 Raw NAND內部結構圖，除了記憶體單元外，還有兩大組成，分別是IO控制單元和邏輯控制單元，信號線主要掛在IO控制與邏輯單元，x8 Raw NAND主要有15根信號線（其中必須的是13根，WP#和R/B#可以不用），關於各信號線具體作用，請查閱相關文檔。

　　ONFI規定的封裝標準有很多，比如TSOP48、LGA52、BGA63/100/132/152/272/316，其中對於嵌入式開發而言，最常用的是如下圖扁平封裝的TSOP-48，這種封裝常用於容量較小的Raw NAND（1/2/4/8/16/32Gb），1-32Gb容量對於嵌入式設計而言差不多夠用，且TSOP-48封裝易於PCB設計，因此得以流行。

2.4 Raw NAND介面命令

　　ONFI 1.0規定了Raw NAND介面命令，如下表所示，其中一部分是必須要支持的（M），還有一部分是可選支持的（O）。必須支持的命令里最常用的是Read(Read Page)、Page Program、Block Erase這三條，涵蓋讀寫擦最基本的三種操作。

　　除了讀寫擦這三個最基本命令外，還有一個必有命令也非常常用，這個命令是Read Status，用於獲取命令執行狀態與結果，ONFI規定Raw NAND內部必須包含一個8bit的狀態寄存器，這個狀態寄存器用來存儲NAND命令執行狀態與結果，其中有兩個bit（RDY-SR[6]和FAIL-SR[0]）需要特別關註，RDY用於指示命令執行狀態（這個bit與外部R/B#信號線功能是一致的），FAIL用於返回命令執行結果（主要是有無ECC錯誤）。

　　此外，還有一個必有命令不得不提，這個命令是Read Parameter Page，用於獲取晶元內部存儲的出廠信息（包括記憶體結構、特性、時序、其他行為參數等），這個Parameter Page大小為256Bytes，其結構已由ONFI規定如下表，痞子衡已經圈出了一些重要信息，在設計NAND軟體驅動時，可以通過獲取這個Parameter Page來做到代碼通用。

2.5 Raw NAND數據速率

　　前面講了，數據存取速率這個技術指標是各廠商競爭力的體現，對於這個指標，其實ONFI標准定義了一部分，我們知道Raw NAND數據存取操作是以Page為單位的，Page操作時間決定了數據存取速率，Page操作時間由3部分組成：

Page操作時間（t_ReadPage） = Page命令操作時間（t_Cmd） + Page命令執行等待時間（t_Busy） + Page數據操作時間（t_Data）

　　以上三部分時間里，ONFI定義了Page命令/數據操作時間標準，但Page命令執行等待時間無法強制，因此各廠商NAND速度差異主要是這個Page命令執行等待時間不同造成的。
　　以非同步模式Read Page命令（0x00 - 0x30）為例講解，下圖是Read Page完整時序簡圖，0x00是主機發送的第一個位元組，用於通知NAND Device主機想要讀取Page，隨後的5個位元組發送的是地址數據，用於通知NAND Device主機想要從什麼地址獲取數據，0x30是主機發送的最後一個位元組，用於通知NAND Device讀取Page命令發送已經完成，至此命令操作周期已經結束，NAND Device此時開始進行內部處理流程：拉低外部引腳R/B#或將內部寄存器SR[6]置0表明我正在忙，然後從記憶體塊里將主機指定地址所在的Page數據全部拷貝到臨時緩存區（Page Buffer），對這一整個Page數據進行ECC校驗，如Page數據校驗通過，拉高外部引腳R/B#或將內部寄存器SR[6]置1表明我已經準備好了，至此命令執行等待周期已經結束，主機開始按Byte依次將Page數據讀出來，所有Page數據全部都被讀出來後，整個Read Page時序就結束了。

　　下圖是命令/地址操作具體時序，根據時序圖我們可以粗略計算出t_Cmd：

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

　　下圖是數據讀取操作具體時序，分為兩種：Non-EDO模式（RE#上沿採樣數據）和EDO模式（RE#下沿採樣數據），從圖中我們知道t_RC是RE#信號的一個周期，通俗地說，Non-EDO模式一般用於低速模式（即t_RC > 30ns時），而EDO模式一般用於高速模式（即t_RC < 30ns時）。根據時序圖我們可以粗略計算出t_Data：

t_Data = dataBytesInOnePage * t_RC

　　讓我們把t_Cmd和t_Data代入t_ReadPage計算公式可得如下等式，我們知道其中t_Busy是無法得知的，那麼其他三個時間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

　　繼續查看ONFI手冊可以找到答案，ONFI規定了六種timing mode（0-5），timing mode table里指明瞭所有時序相關的參數數值範圍，當然也包括t_WP、t_WH、t_RC，以最快的timing mode 5來計算：

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

　　我們似乎離答案更近一步了，但t_Busy是多少這個問題始終困擾著我們，其實痞子衡帶你繞了路，想要知道Read Page的時間沒有這麼複雜，我們可以從任何一款Raw NAND數據手冊的扉頁Features里直接找到答案，如下是Micron生產的型號為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

　　從feature里我們可以知道t_ReadPage最小為25us（此數值應是在x16 bits，timing mode 5下得出的最快速度），那麼可以反算出t_Busy = 25us - 20ns * （1024 + 7） = 4.38us，知道了t_Busy讓我們計算一下x8 bits下的t_ReadPage = 20ns * （2048 + 7） + 4.38us = 45.48us，再計算x8 bits下的讀取數據率 2048Bytes / 45.48us = 360.246Mbps，這個數據率對於普通嵌入式應用來說其實是夠快的。

2.6 Raw NAND壞塊與ECC

　　Raw NAND開發繞不開壞塊（Bad Block）問題，這是NAND Flash區別於NOR Flash的一個重要特點。NAND技術上允許壞塊的存在，這降低了NAND生產工藝要求，因此NAND單位容量價格比NOR低。
　　既然物理上的壞塊無法避免，那有什麼方法可以改善/解決壞塊問題呢？方法當然是有的，這個方法就是ECC（Error Correcting Code），ECC的具體實現原理詳見痞子衡的另一篇文章 漢明碼校驗(Hamming Code SEC-DED)，在這裡你只需要知道ECC是一種錯誤檢測與糾正演算法，它通過對一定量的數據塊（一般是256/512bytes）進行計算得到ECC碼（一般8bytes），在Page Program時將原始Page數據與ECC碼一同存入NAND Flash，在Read Page時同時獲取Page數據與ECC碼再進行一次計算，如果該Page數據沒有ECC錯誤或者bit錯誤能夠被ECC碼糾正，那麼Page讀寫操作就能夠正常進行，如果bit錯誤個數太多不能夠被糾正，那麼該Page所在的塊就應該被認定為一個壞塊。
　　ECC能力主要根據糾正單數據塊中錯誤bit個數來區分的，最基本的ECC只能夠糾正1bit錯誤，強一點的ECC可以糾正4或者8個甚至更多的錯誤bit。
　　讓我們用一款實際晶元來具體分析壞塊與ECC，依舊以前面分析過的Micron生產的型號為MT29F4G08ABBxA為例，下圖是其記憶體結構圖，從圖中我們可以知道這款NAND的Page大小為2KB，但如果你仔細看，你會發現每個Page還額外含有64Bytes數據，這個64Bytes區域即所謂的Spare Area，這個區域到底是幹嘛用的呢？

　　下圖是Spare Area的mapping圖，由於每個Page是2KB，而ECC計算塊是512Bytes，因此Page區域被均分為4塊，分別是Main 0、1、2、3，每塊大小為512Bytes，而相應的Spare Area也被均分為4塊，分別是Spare 0、1、2、3，每塊大小為16bytes，與Main區域一一對應。每個Spare x由2bytes壞塊信息、8bytes ECC碼、6bytes用戶數據組成。要特別說一下的是ECC區域，當晶元硬體ECC功能開啟時，8bytes ECC碼區域會被自動用來存儲ECC信息，而如果晶元沒有硬體ECC功能，這個區域可以用來手動地存放軟體ECC值。

　　下圖是晶元Error管理相關信息，也包含了ECC，從圖中我們可以知道這款晶元ECC是4bits，壞塊是用0x00來標識的，並且承諾該晶元出廠時每個Die里所含有的4096個block最多只會有80個壞塊。這些信息除了在晶元手冊里可以找到之外，前面介紹過的ONFI Parameter Page也同樣記錄了。

2.7 Raw NAND個性化功能

　　Raw NAND還有一些個性化的功能，這個是因廠商而異的，ONFI規定了兩個可選的命令Get/Set Feature，個性化功能可以通過Get/Set Feature命令來擴展。下表是ONFI 1.0規定的Feature address範圍，其中0x01是Timing Mode，0x80-0xFF用於各廠商實現自己的特色功能。

　　關於Timing Mode地址的具體定義如下，ONFI規定晶元上電初始為Timing mode 0，即最低速的模式，如果我們想要更快的NAND訪問速度，必須使用Set feature命令將Timing mode設置到想要的數值。

　　繼續以前面分析過的Micron生產的型號為MT29F4G08ABBxA為例，下圖是該晶元的Feature定義，除了ONFI規定之外，還定義了自己的特色部分（0x80, 0x81, 0x90）。

　　比如0x90定義的Array operation mode，我們可以通過其實現OTP控制以及硬體ECC的開關。

三、SLC Raw NAND產品

　　Raw NAND廠商產品有兩種，一種是裸Raw NAND晶元，另一種是含Raw NAND的存儲方案（比如SSD硬碟），對於嵌入式開發而言，我們更關心的是裸Raw NAND晶元產品，下麵痞子衡收集了可以售賣SLC Raw NAND晶元的廠商及產品系列：

　　至此，ONFI標準及SLC Raw NAND痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~