1.1. 一些相关的名词的解释

1.1.1. Non-Volatile Memory非易失性存储器

NVM，即NV （RAM）Memory，断电数据也不会丢失的存储器，比如Nand Flash，Nor Flash，硬盘等等。于此相对的是，断电了数据会丢失的存储器，比如DRAM等。

1.1.2. OTP一次性可编程存储器

OTP，一种非易失性存储器，但是只允许一次性写入数据，写入（或称烧写）数据之后，就不能修改了。

OTP的好处或者说用途是，常用于写入一些和芯片相关的一些特定数据，用于加密的一些数据等。

与一次性写入数据的OTP相对应的是，像Nand Flash，硬盘等存储器，可以被多次写入数据。只要硬盘这类的存储器没坏，你高兴写入几次就写入几次，而OTP就只能写入一次，就没法再修改里面的数据了。

1.1.3. NDA 保密协议

NDA，中文可以翻译为，非公开协议，保密协议。

说白了，还是一种协议，常用于这种情况：

某家厂商的某种技术或资料，是保密的，不希望公开的。

但是呢，如果你要用他家的芯片啊之类的东西，在开发过程中，又必须得到对应的技术和资料，才能开发产品，所以，他就会要求和你签订这样的NDA协议，意思就是，你可以用我的技术和资料，但是你不能公开给（我未授权的）其他人。如果非法泄露我的机密技术，那我肯定要走法律程序控告你，之类的。

1.1.4. Datasheet数据手册和Specification规范

英文datasheet，中文一般翻译为数据手册。

指的是对应某个硬件，多为芯片，的功能说明，定义了如何操作该硬件，达到你要的功能，这其中主要包括芯片中的相关寄存器的定义，如何发送命令，发送什么命令，以此来操作此硬件等等。

而英文Specification，引文常缩写为Spec.，中文一般翻译为规范。

多指某个组织（盈利的或非盈利的），定义了一些规矩，如果你要用某种东西，在计算机领域，常常指的是某硬件和相关的软件协议，就要按照此规矩来操作，人家这个组织呢，保证你只要实现了此规范，设备就能按照你所期望的运行，能够实现对应的功能，而你的芯片实现了此规范，就叫做，是和此规范兼容（compatible）的。

1.1.5. Nand Flash相关的一些名词解释

1.1.5.1. （Bad） Block Management（坏）块管理

Nand Flash由于其物理特性，只有有限的擦写次数，超过那个次数，基本上就是坏了。在使用过程中，有些Nand Flash的block会出现被用坏了，当发现了，要及时将此block标注为坏块，不再使用。

于此相关的管理工作，属于Nand Flash的坏块管理的一部分工作。

1.1.5.2. Wear-Leveling负载平衡

Nand Flash的block的管理，还包括负载平衡。

正是由于Nand Flash的block，都是有一定寿命限制的，所以如果你每次都往同一个block擦除然后写入数据，那么那个block就很容易被用坏了，所以我们要去管理一下，将这么多次的对同一个block的操作，平均分布到其他一些block上面，使得在block的使用上，相对较平均，这样相对来说，可以更能充分利用Nand Flash。

关于wear-leveling这个词，再简单解释一下，wear就是穿（衣服）等，用（东西）导致磨损，而leveling就是使得均衡，所以放在一起就是，使得对于Nand Flash的那么多的block的使用磨损，相对均衡一些，以此延长Nand Flash的使用寿命或者说更加充分利用Nand Flash。

1.1.5.3. ECC错误校验码

Nand Flash物理特性上使得其数据读写过程中会发生一定几率的错误，所以要有个对应的错误检测和纠正的机制，于是才有此ECC，用于数据错误的检测与纠正。Nand Flash的ECC，常见的算法有海明码和BCH，这类算法的实现，可以是软件也可以是硬件。不同系统，根据自己的需求，采用对应的软件或者是硬件。

相对来说，硬件实现这类ECC算法，肯定要比软件速度要快，但是多加了对应的硬件部分，所以成本相对要高些。如果系统对于性能要求不是很高，那么可以采用软件实现这类ECC算法，但是由于增加了数据读取和写入前后要做的数据错误检测和纠错，所以性能相对要降低一些，即Nand Flash的读取和写入速度相对会有所影响。

其中，Linux中的软件实现ECC算法，即NAND_ECC_SOFT模式，就是用的对应的海明码。

而对于目前常见的MLC的Nand Flash来说，由于容量比较大，动辄2GB，4GB，8GB等，常用BCH算法。BCH算法，相对来说，算法比较复杂。

笔者由于水平有限，目前仍未完全搞懂BCH算法的原理。

BCH算法，通常是由对应的Nand Flash的Controller中，包含对应的硬件BCH ECC模块，实现了BCH算法，而作为软件方面，需要在读取数据后，写入数据之前，分别操作对应BCH相关的寄存器，设置成BCH模式，然后读取对应的BCH状态寄存器，得知是否有错误，和生成的BCH校验码，用于写入。

其具体代码是如何操作这些寄存器的，由于是和具体的硬件，具体的nand flash的controller不同而不同，无法用同一的代码。如果你是nand flash驱动开发者，自然会得到对应的起nand flash的controller部分的datasheet，按照手册说明，去操作即可。

不过，额外说明一下的是，关于BCH算法，往往是要从专门的做软件算法的厂家购买的，但是Micron之前在网上放出一个免费版本的BCH算法。

想要此免费的BCH算法，可以在[18]找到下载地址

1.2. 硬件特性

1.2.1. 什么是Flash

Flash全名叫做Flash Memory，从名字就能看出，是种数据存储设备，存储设备有很多类，Flash属于非易失性存储设备(Non-volatile Memory Device)，与此相对应的是易失性存储设备(Volatile Memory Device)。关于什么是非易失性/易失性，从名字中就可以看出，非易失性就是不容易丢失，数据存储在这类设备中，即使断电了，也不会丢失，这类设备，除了Flash，还有其他比较常见的入硬盘，ROM等，与此相对的，易失性就是断电了，数据就丢失了，比如大家常用的内存，不论是以前的SDRAM，DDR SDRAM，还是现在的DDR2，DDR3等，都是断电后，数据就没了。

1.2.1.1. Flash的硬件实现机制

Flash的内部存储是MOSFET，里面有个悬浮门(Floating Gate)，是真正存储数据的单元。

在Flash之前，紫外线可擦除(uv-erasable)的EPROM，就已经采用了Floating Gate存储数据这一技术了。

图 1.1. 典型的Flash内存单元的物理结构

数据在Flash内存单元中是以电荷(electrical charge) 形式存储的。存储电荷的多少，取决于图中的外部门（external gate）所被施加的电压，其控制了是向存储单元中冲入电荷还是使其释放电荷。而数据的表示，以所存储的电荷的电压是否超过一个特定的阈值Vth来表示，因此，Flash的存储单元的默认值，不是0（其他常见的存储设备，比如硬盘灯，默认值为0），而是1，而如果将电荷释放掉，电压降低到一定程度，表述数字0。

1.2.2. 什么是Nand Flash

Flash主要分两种，Nand Flash和nor flash。

关于Nand Flash和Nor Flash的区别，参见[6]

不过，关于两者区别，除了那个解释之外，这里再多解释解释：

1. Nor的成本相对高，容量相对小，比如常见的只有128KB，256KB，1MB，2MB等等，优点是读写数据时候，不容易出错。所以在应用领域方面，Nor Flash比较适合应用于存储少量的代码。

2. Nand flash成本相对低，说白了就是便宜，缺点是使用中数据读写容易出错，所以一般都需要有对应的软件或者硬件的数据校验算法，统称为ECC。但优点是，相对来说容量比较大，现在常见的Nand Flash都是1GB，2GB，更大的8GB的都有了，相对来说，价格便宜，因此适合用来存储大量的数据。其在嵌入式系统中的作用，相当于PC上的硬盘，用于存储大量数据。

所以，一个常见的应用组合就是，用小容量的Nor Flash存储启动代码，比如uboot，用大容量的Nand Flash做整个系统和用户数据的存储。

而一般的嵌入式平台的启动流程也就是，系统从装有启动代码的Nor Flash启动后，初始化对应的硬件，包括SDRAM等，然后将Nand Flash上的Linux 内核读取到内存中，做好该做的事情后，就跳转到SDRAM中去执行内核了，然后内核解压（如果是压缩内核的话，否则就直接运行了）后，开始运行，在Linux内核启动最后，去Nand Flash上，挂载根文件，比如jffs2，yaffs2等，挂载完成，运行初始化脚本，启动consle交互，才允许你通过console和内核交互。至此完成整个系统启动过程。

而Nor Flash就分别存放的是Uboot，Nand Flash存放的是Linux的内核镜像和根文件系统，以及余下的空间分成一个数据区。

1.2.2.1. Nand Flash的详细分类

Nand Flash，按照硬件类型，可以分为

1. Bare NAND chips：

   裸片。单独的Nand Flash芯片。

2. SmartMediaCards：

   裸片+一层薄塑料。常用于数码相机和MP3播放器中。之所以称smart，是由于其软件smart，而不是硬件本身有啥smart之处。

3. DiskOnChip：

   裸片+glue logic。glue logic=硬件ECC产生器+用于静态的nand 芯片控制的寄存器+直接访问一小片地址窗口，那块地址中包含了引导代码的stub桩，其可以从Nand Flash中拷贝真正的引导代码。

1.2.3. SLC和MLC的实现机制

Nand Flash按照内部存储数据单元的电压的不同层次，也就是单个内存单元中，是存储1位数据，还是多位数据，可以分为SLC和MLC。

1.2.3.1. SLC（Single Level Cell）

单个存储单元，只存储一位数据，表示1或0。

就是上面介绍的，对于数据的表示，单个存储单元中内部所存储电荷的电压，和某个特定的阈值电压Vth，相比，如果大于此Vth值，就是表示1，反之，小于Vth，就表示0。

对于Nand Flash的数据的写入1，就是控制External Gate去充电，使得存储的电荷够多，超过阈值Vth，就表示1了。而对于写入0，就是将其放电，电荷减少到小于Vth，就表示0了。

关于为何Nand Flash不能从0变成1，我的理解是，物理上来说，是可以实现每一位的，从0变成1的，但是实际上，对于实际的物理实现，出于效率的考虑，如果对于，每一个存储单元都能单独控制，即，0变成1就是，对每一个存储单元单独去充电，所需要的硬件实现就很复杂和昂贵，同时，所进行对块擦除的操作，也就无法实现之前所说的的，Flash的速度，即一闪而过的速度了，也就失去了Flash的众多特性了。

1.2.3.2. MLC（Multi Level Cell）

与SLC相对应的，就是单个存储单元，可以存储多个位，比如2位，4位等。其实现机制，说起来比较简单，就是通过控制内部电荷的多少，分成多个阈值，通过控制里面的电荷多少，而达到我们所需要的存储成不同的数据。比如，假设输入电压是Vin＝4V（实际没有这样的电压，此处只是为了举例方便），那么，可以设计出2的2次方＝4个阈值， 1/4 的Vin＝1V，2/4的Vin＝2V，3/4的Vin＝3V，Vin＝4V，分别表示2位数据00，01，10，11，对于写入数据，就是充电，通过控制内部的电荷的多少，对应表示不同的数据。

对于读取，则是通过对应的内部的电流（与Vth成反比），然后通过一系列解码电路完成读取，解析出所存储的数据。这些具体的物理实现，都是有足够精确的设备和技术，才能实现精确的数据写入和读出的。

单个存储单元可以存储2位数据的，称作2的2次方＝4 Level Cell，而不是2 Level Cell，关于这点，之前看Nand flash的数据手册（datasheet）的时候，差点搞晕了。

同理，对于新出的单个存储单元可以存储4位数据的，称作 2的4次方＝16 Level Cell。

1.2.3.3. 关于如何识别SLC还是MLC

Nand Flash设计中，有个命令叫做Read ID，读取ID，意思是读取芯片的ID，就像大家的身份证一样，这里读取的ID中，是读取好几个字节，一般最少是4个，新的芯片，支持5个甚至更多，从这些字节中，可以解析出很多相关的信息，比如此Nand Flash内部是几个芯片（chip）所组成的，每个chip包含了几片（Plane），每一片中的页大小，块大小，等等。在这些信息中，其中有一个，就是识别此flash是SLC还是MLC。下面这个就是最常见的Nand Flash的datasheet中所规定的，第3个字节，3rd byte，所表示的信息，其中就有SLC/MLC的识别信息：

表 1.1. Nand Flash第3个ID的含义

1.2.4. Nand Flash数据存储单元的整体架构

简单说就是，常见的Nand Flash，内部只有一个chip，每个chip只有一个plane。

而有些复杂的，容量更大的Nand Flash，内部有多个chip，每个chip有多个plane。这类的Nand Flash，往往也有更加高级的功能，比如下面要介绍的Multi Plane Program和Interleave Page Program等。

概念上，由大到小来说，就是：

Nand Flash ⇒ Chip ⇒ Plane ⇒ Block ⇒ Page ⇒ oob

用图表来表示，更加易懂：

图 1.2. Nand Flash的结构图

比如，型号为K9K8G08U0A这块Nand Flash（有时候也被称为此块chip芯片），其内部有两个K9F4G08U0A的chip，chip#1和chip#2，每个K9F4G08U0A的chip包含了2个Plane，每个Plane是2Gbbit，所以K9F4G08U0A的大小是2Gb×2 = 4Gb = 512MB，因此，K9K8G08U0A内部有2个K9F4G08U0A，或者说4个Plane，总大小是×256MB＝1GB。

用公式表示如下：

公式 1.1. K9K8G08U0A的物理结构所组成的总容量

K9K8G08U0A(这块Nand Flash)

= 2 × K9F4G08U0A(K9F4G08U0A是chip，1 K9F4G08U0A = 2 Plane)

= 2 × 2个Plane

= 4 Plane(1 Plane = 2048 Block)

= 4 × 2048个Block(1 Block = 64 Page)

= 4 × 2048 × 64Page(1 Page = 2KB)

= 4 × 2048 × 64Page × 2KB

= 4 × 2048 × 128KB(1 Block = 128KB)

= 4 × 256MB(1 Plane = 2Gb = 256MB)

= 2 × 512MB(1 K9F4G08U0A = 4Gb = 512MB)

= 1GB(1 K9K8G08U0A = 1GB)

而型号是K9WAG08U1A的Nand Flash，内部包含了2个K9K8G08U0A，所以，总容量是K9K8G08U0A的两倍＝1GB×2＝2GB，类似地K9NBG08U5A，内部包含了4个K9K8G08U0A，总大小就是4×1GB＝4GB。

	通常只关心Nand的总大小
	上面所说的block，page等Nand Flash的物理上的组织结构，是在chip的基础上来说的，但是软件编程的时候，除非你要用到Multi Plane Program和Interleave Page Program等，一般很少区分内部有几个chip以及每个chip有几个plane，而最关心的只是Nand Flash的总体容量size有多大，比如是1GB还是2GB等等。

下面详细介绍一下，Nand Flash的一个chip内部的硬件逻辑组织结构。

1.2.5. Nand Flash的物理存储单元的阵列组织结构

Nand Flash的内部组织结构，此处还是用图来解释，比较容易理解：

图 1.3. Nand Flash物理存储单元的阵列组织结构

上图是K9K8G08U0A的datasheet中的描述。

简单解释就是:

1.2.5.1. Block块

一个Nand Flash（的chip，芯片）由很多个块（Block）组成，块的大小一般是128KB，256KB，512KB，此处是128KB。其他的小于128KB的，比如64KB，一般都是下面将要介绍到的small block的Nand Flash。

块Block，是Nand Flash的擦除操作的基本/最小单位。

1.2.5.2. Page页

每个块里面又包含了很多页（page）。每个页的大小，对于现在常见的Nand Flash多数是2KB，最新的Nand Flash的是4KB、8KB等，这类的页大小大于2KB的Nand Flash，被称作big block的Nand Flash，对应的发读写命令地址，一共5个周期(cycle)，而老的Nand Flash，页大小是256B，512B，这类的Nand Flash被称作small block，地址周期只有4个。

页Page，是读写操作的基本单位。

不过，也有例外的是，有些Nand Flash支持subpage（1/2页或1/4页）子页的读写操作，不过一般很少见。

1.2.5.3. oob / Redundant Area / Spare Area

每一个页，对应还有一块区域，叫做空闲区域（spare area）/冗余区域（redundant area），而Linux系统中，一般叫做OOB（Out Of Band），这个区域，是最初基于Nand Flash的硬件特性：数据在读写时候相对容易错误，所以为了保证数据的正确性，必须要有对应的检测和纠错机制，此机制被叫做EDC(Error Detection Code)/ECC（Error Code Correction, 或者 Error Checking and Correcting），所以设计了多余的区域，用于放置数据的校验值。

Oob的读写操作，一般是随着页的操作一起完成的，即读写页的时候，对应地就读写了oob。

关于oob具体用途，总结起来有：

1. 标记是否是坏快
2. 存储ECC数据
3. 存储一些和文件系统相关的数据。如jffs2就会用到这些空间存储一些特定信息，而yaffs2文件系统，会在oob中，存放很多和自己文件系统相关的信息。

1.2.6. Flash名称的由来

Flash的擦除操作是以block块为单位的，与此相对应的是其他很多存储设备，是以bit位为最小读取/写入的单位，Flash是一次性地擦除整个块：在发送一个擦除命令后，一次性地将一个block，常见的块的大小是128KB/256KB。。，全部擦除为1，也就是里面的内容全部都是0xFF了，由于是一下子就擦除了，相对来说，擦除用的时间很短，可以用一闪而过来形容，所以，叫做Flash Memory。所以一般将Flash翻译为 （快速）闪存。

1.2.7. Flash相对于普通设备的特殊性

根据上面提到过的，Flash最小操作单位，相对于普通存储设备，就显得有些特殊。

因为一般存储设备，比如硬盘或内存，读取和写入都是以位（bit）为单位，读取一个bit的值，将某个值写入对应的地址的位，都是可以按位操作的。

但是Flash由于物理特性，使得内部存储的数据，只能从1变成0，这点，这点可以从前面的内部实现机制了解到，对于最初始值，都是1，所以是0xFFFFFFFF，而数据的写入，即是将对应的变成0，而将数据的擦出掉，就是统一地，以block为单位，全部一起充电，所有位，都变成初始的1，而不是像普通存储设备那样，每一个位去擦除为0。而数据的写入，就是电荷放电的过程，代表的数据也从1变为了0。

所以，总结一下Flash的特殊性如下：

表 1.2. Flash和普通设备相比所具有的特殊性

	提示
	之所以将写操作叫做编程，是因为flash是从之前的EPROM、EEPROM等继承发展而来，而之前的EEPROM，往里面写入数据，就叫做编程Program，之所以这么称呼，是因为其对数据的写入，是需要用电去擦除/写入的，所以叫做编程。 对于目前常见的页大小是2K/4K的Nand Flash，其块的大小有128KB/256KB/512KB等。而对于Nor Flash，常见的块大小有64K/32K等。 在写数据之前，要先擦除，内部就都变成0xFF了，然后才能写入数据，也就是将对应的位由1变成0。

1.2.8. Nand Flash的位反转特性

Nand Flash的位反转，也叫做位翻转，对应的英文表达有：Bit Flip=Bit Flipping=Bit-Flip=Bit twiddling。

Nand Flash由于本身硬件的内在特性，会导致（极其）偶尔的出现位反转的现象。

所谓的位反转，bit flip，指的是原先Nand Flash中的某个位，变化了，即要么从1变成0了，要么从0变成1了。

1.2.8.1. Nand Flash位反转的原因

Nand Flash的位反转现象，主要是由以下一些原因/效应所导致：

1. 漂移效应（Drifting Effects）

   漂移效应指的是，Nand Flash中cell的电压值，慢慢地变了，变的和原始值不一样了。

2. 编程干扰所产生的错误（Program-Disturb Errors）

   此现象有时候也叫做，过度编程效应（over-program effect）。

   对于某个页面的编程操作，即写操作，引起非相关的其他的页面的某个位跳变了。

3. 读操作干扰产生的错误（Read-Disturb Errors）

   此效应是，对一个页进行数据读取操作，却使得对应的某个位的数据，产生了永久性的变化，即Nand Flash上的该位的值变了。

1.2.8.2. Nand Flash位反转的影响

位反转，说白了，就是读取数据的时候，数据出错了。

因此，如果你读取的数据正好是属于某个重要的文件中的数据，比如系统的配置文件等，那么此时错了一位，都会导致系统出现异常，问题相对会很严重。

而如果此数据属于音视频流中的数据，那么此时即使错了一位，对整个音视频的播放产生的影响也很小，所以问题也不大。

1.2.8.3. Nand Flash位反转的类型和解决办法

对应的位反转的类型，有两种：

1. 一种是nand flash物理上的数据存储的单元上的数据，是正确的，只是在读取此数据出来的数据中的某位，发生变化，出现了位反转，即读取出来的数据中，某位错了，本来是0变成1，或者本来是1变成0了。此处可以成为软件上位反转。此数据位的错误，当然可以通过一定的校验算法检测并纠正。
2. 另外一种，就是nand flash中的物理存储单元中，对应的某个位，物理上发生了变化，原来是1的，变成了0，或原来是0的，变成了1，发生了物理上的位的数据变化。此处可以成为硬件上的位反转。此错误，由于是物理上发生的，虽然读取出来的数据的错误，可以通过软件或硬件去检测并纠正过来，但是物理上真正发生的位的变化，则没办法改变了。不过个人理解，好像也是可以通过擦除Erase整个数据块Block的方式去擦除此错误，不过在之后的Nand Flash的使用过程中，估计此位还是很可能继续发生同样的硬件的位反转的错误。

以上两种类型的位反转，其实对于从Nand Flash读取出来的数据来说，解决其中的错误的位的方法，都是一样的，即通过一定的校验算法，常称为ECC，去检测出来，或检测并纠正错误。

如果只是单独检测错误，那么如果发现数据有误，那么再重新读取一次即可。

实际中更多的做法是，ECC校验发现有错误，会有对应的算法去找出哪位错误并且纠正过来。

其中对错误的检测和纠正，具体的实现方式，有软件算法，也有硬件实现，即硬件Nand Flash的控制器controller本身包含对应的硬件模块以实现数据的校验和纠错的。

1.2.9. Nand Flash引脚(Pin)的说明

图 1.4. Nand Flash引脚功能说明

上图是常见的Nand Flash所拥有的引脚（Pin）所对应的功能，简单翻译如下：

表 1.3. Nand Flash引脚功能的中文说明

	数据手册中的#表示低电平
	在数据手册中，你常会看到，对于一个引脚定义，有些字母上面带一横杠的，那是说明此引脚/信号是低电平有效，比如你上面看到的RE头上有个横线，就是说明，此RE是低电平有效，此外，为了书写方便，在字母后面加“＃”，也是表示低电平有效，比如我上面写的CE＃；如果字母头上啥都没有，就是默认的高电平有效，比如上面的CLE，就是高电平有效。

1.2.9.1. 为何需要ALE和CLE

硬件上，有了电源的Vcc和接地的Vss等引脚，很好理解，但是为何还要有ALE和CLE这样的引脚，为何设计这么多的命令,把整个系统搞这么复杂，关于这点，最后终于想明白了：

设计命令锁存使能(Command Latch Enable, CLE) 和 地址锁存使能(Address Latch Enable，ALE)，那是因为，Nand Flash就8个I/O，而且是复用的，也就是，可以传数据，也可以传地址，也可以传命令，为了区分你当前传入的到底是啥，所以，先要用发一个CLE（或ALE）命令，告诉Nand Flash的控制器一声，我下面要传的是命令（或地址），这样，里面才能根据传入的内容，进行对应的动作。否则,Nand Flash内部,怎么知道你传入的是数据,还是地址,还是命令,也就无法实现正确的操作了。

1.2.9.2. Nand Flash只有8个I/O引脚的好处

在Nand Flash的硬件设计中，你会发现很多个引脚。关于硬件上为何设计这样的引脚，而不是直接像其他存储设备，比如普通的RAM，直接是一对数据线引出来，多么方便和好理解啊。

关于这样设计的好处：

1.2.9.2.1. 减少外围连线

相对于并口(Parellel)的Nor Flash的48或52个引脚来说，的确是大大减小了引脚数目，这样封装后的芯片体积，就小很多。现在芯片在向体积更小，功能更强，功耗更低发展，减小芯片体积，就是很大的优势。同时，减少芯片接口，也意味着使用此芯片的相关的外围电路会更简化，避免了繁琐的硬件连线。

1.2.9.2.2. 提高系统的可扩展性

因为没有像其他设备一样用物理大小对应的完全数目的addr引脚，在芯片内部换了芯片的大小等的改动，对于用全部的地址addr的引脚，那么就会引起这些引脚数目的增加，比如容量扩大一倍，地址空间/寻址空间扩大一倍，所以，地址线数目/addr引脚数目，就要多加一个，而对于统一用8个I/O的引脚的Nand Flash，由于对外提供的都是统一的8个引脚，内部的芯片大小的变化或者其他的变化，对于外部使用者(比如编写Nand Flash驱动的人)来说，不需要关心，只是保证新的芯片，还是遵循同样的接口，同样的时序，同样的命令，就可以了。这样就提高了系统的扩展性。

说白了，对于旧的Nand Flash所实现的驱动，这些软件工作，在换新的硬件的Nand Flash的情况下，仍然可以工作，或者是通过极少的修改，就同样可以工作，使得软硬件兼容性大大提高。

1.2.10. Nand Flash的一些典型(typical)的特性

1. 页擦除时间是200us，有些慢的有800us
2. 块擦除时间是1.5ms
3. 页数据读取到数据寄存器的时间一般是20us
4. 串行访问（Serial access）读取一个数据的时间是25ns，而一些旧的Nand Flash是30ns，甚至是50ns
5. 输入输出端口是地址和数据以及命令一起multiplex复用的
6. Nand Flash的编程/擦除的寿命：即，最多允许的擦除的次数

   以前老的Nand Flash，编程/擦除时间比较短，比如K9G8G08U0M，才5K次，而后来的多数也只有10K=1万次，而现在很多新的Nand Flash，技术提高了，比如，Micron的MT29F1GxxABB，Numonyx的 NAND04G-B2D/NAND08G-BxC，都可以达到100K，也就是10万次的编程/擦除，达到和接近于之前常见的Nor Flash，几乎是同样的使用寿命了。

7. 封装形式

   48引脚的TSOP1封装 或 52引脚的ULGA封装

1.2.11. Nand Flash控制器与Nand Flash芯片

关于Nand Flash的控制器Controller和Nand Flash芯片chip之间的关系，觉得有必要解释一下：

首先，我们要知道的是，我们写驱动，是写Nand Flash 控制器的驱动，而不是Nand Flash 芯片的驱动，因为独立的Nand Flash芯片，一般来说，是很少直接拿来用的，多数都是硬件上有对应的硬件的Nand Flash的控制器，去操作和控制Nand Flash，包括提供时钟信号，提供硬件ECC校验等等功能，我们所写的驱动软件，是去操作Nand Flash的控制器

然后由控制器去操作Nand Flash芯片，实现我们所要的功能。

1.2.12. Nand Flash中的特殊硬件结构

由于Nand Flash相对其他常见设备来说，比较特殊，所以，特殊的设备，就有特殊的设计，就对应某些特殊的硬件特性，就有必要解释解释：

页寄存器（Page Register）：

由于Nand Flash读取和编程操作来说，一般最小单位是页，所以Nand Flash在硬件设计时候，就考虑到这一特性，对于每一片（Plane），都有一个对应的区域专门用于存放，将要写入到物理存储单元中去的或者刚从存储单元中读取出来的，一页的数据，这个数据缓存区，本质上就是一个缓存buffer，但是只是此处datasheet里面把其叫做页寄存器page register而已，实际将其理解为页缓存，更贴切原意。

而正是因为有些人不了解此内部结构，才容易产生之前遇到的某人的误解，以为内存里面的数据，通过Nand Flash的FIFO，写入到Nand Flash里面去，就以为立刻实现了实际数据写入到物理存储单元中了，而实际上只是写到了这个页缓存中，只有当你再发送了对应的编程第二阶段的确认命令，即0x10，之后，实际的编程动作才开始，才开始把页缓存中的数据，一点点写到物理存储单元中去。

所以，简单总结一下就是，对于数据的流向，实际是经过了如下步骤：

图 1.5. Nand Flash读写时的数据流向

1.2.13. Nand Flash中的坏块(Bad Block)

Nand Flash中，一个块中含有1个或多个位是坏的，就称为其为坏块Bad Block。

坏块的稳定性是无法保证的，也就是说，不能保证你写入的数据是对的，或者写入对了，读出来也不一定对的。与此对应的正常的块，肯定是写入读出都是正常的。

1.2.13.1. 坏块的分类

坏块有两种：

1. 出厂时就有存在的坏块

   一种是出厂的时候，也就是，你买到的新的，还没用过的Nand Flash，就可以包含了坏块。此类出厂时就有的坏块，被称作factory (masked) bad block或initial bad/invalid block，在出厂之前，就会做对应的标记，标为坏块。

2. 使用过程中产生的坏块

   第二类叫做在使用过程中产生的，由于使用过程时间长了，在擦块除的时候，出错了，说明此块坏了，也要在程序运行过程中，发现，并且标记成坏块的。具体标记的位置，和上面一样。这类块叫做worn-out bad block。即用坏了的块。

1.2.13.2. 坏块的标记

具体标记的地方是，对于现在常见的页大小为2K的Nand Flash，是块中第一个页的oob起始位置（关于什么是页和oob，下面会有详细解释）的第1个字节（旧的小页面，pagesize是512B甚至256B的Nand Flash，坏块标记是第6个字节），如果不是0xFF，就说明是坏块。相对应的是，所有正常的块，好的块，里面所有数据都是0xFF的。

不过，对于现在新出的有些Nand Flash，很多标记方式，有些变化，有的变成该坏块的第一个页或者第二个页，也有的是，倒数最后一个或倒数第二个页，用于标记坏块的。

具体的信息，请参考对应的Nand Flash的数据手册，其中会有说明。

对于坏块的标记，本质上，也只是对应的flash上的某些字节的数据是非0xFF而已，所以，只要是数据，就是可以读取和写入的。也就意味着，可以写入其他值，也就把这个坏块标记信息破坏了。对于出厂时的坏块，一般是不建议将标记好的信息擦除掉的。

uboot中有个命令是

nand scrub

就可以将块中所有的内容都擦除了，包括坏块标记，不论是出厂时的，还是后来使用过程中出现而新标记的。一般来说，不建议用这个。

不过，在实际的驱动编程开发过程中，为了方便起见，我倒是经常用，其实也没啥大碍，呵呵。不过呢，其实最好的做法是，用

nand erase

只擦除好的块，对于已经标记坏块的块，不要轻易擦除掉，否则就很难区分哪些是出厂时就坏的，哪些是后来使用过程中用坏的了。

1.2.13.3. 坏块的管理

对于坏块的管理，在Linux系统中，叫做坏块管理（BBM，Bad Block Management），对应的会有一个表去记录好块，坏块的信息，以及坏块是出厂就有的，还是后来使用产生的，这个表叫做坏块表（BBT，Bad Block Table）。在Linux 内核MTD架构下的Nand Flash驱动，和Uboot中Nand Flash驱动中，在加载完驱动之后，如果你没有加入参数主动要求跳过坏块扫描的话，那么都会去主动扫描坏块，建立必要的BBT的，以备后面坏块管理所使用。

1.2.13.4. 坏块的比例

而关于好块和坏块，Nand Flash在出厂的时候，会做出保证：

1. 关于好的，可以使用的块的数目达到一定的数目，比如三星的K9G8G08U0M，整个flash一共有4096个块，出厂的时候，保证好的块至少大于3996个，也就是意思是，你新买到这个型号的Nand Flash，最坏的可能， 有3096－3996＝100个坏块。不过，事实上，现在出厂时的坏块，比较少，绝大多数，都是使用时间长了，在使用过程中出现的。
2. 保证第一个块是好的，并且一般相对来说比较耐用。做此保证的主要原因是，很多Nand Flash坏块管理方法中，就是将第一个块，用来存储上面提到的BBT，否则，都是出错几率一样的块，那么也就不太好管理了，连放BBT的地方，都不好找了，^_^。

一般来说，不同型号的Nand Flash的数据手册中，也会提到，自己的这个Nand Flash，最多允许多少个坏块。就比如上面提到的，三星的K9G8G08U0M，最多有100个坏块。

1.2.14. Nand Flash中页的访问顺序

在一个块内，对每一个页进行编程的话，必须是顺序的，而不能是随机的。比如，一个块中有128个页，那么你只能先对page0编程，再对page1编程，。。。。，而不能随机的，比如先对page3，再page1，page2，page0，page4，。。。

关于此处对于只能顺序给页编程的说法，只是翻译自datasheet，但是实际情况却发现是，程序中没有按照此逻辑处理，可以任意对某Block内的Page去做Program的动作，而不必是顺序的。但是datasheet为何如此解释，原因未知，有待知情者给解释一下。

1.2.15. 常见的Nand Flash的操作

要实现对Nand Flash的操作，比如读取一页的数据，写入一页的数据等，都要发送对应的命令，而且要符合硬件的规定，如图：

图 1.6. Nand Flash K9K8G08U0A的命令集合

从上图可以看到，如果要实现读一个页的数据，就要发送Read的命令，而且是分两个周期（Cycle），即分两次发送对应的命令，第一次是0x00h,第二次是0x30h，而两次命令中间，需要发送对应的你所要读取的页的地址，关于此部分详细内容，留待后表。

对应地，其他常见的一些操作，比如写一个页的数据(Page Program)，就是先发送0x80h,然后发生要写入的地址，再发送0x10h。

	注意
	对于不同厂家的不同型号的Nand Flash 的基本操作，即读页数据Read Page，写页数据（对页进行编程）Page Program，擦除整个块的数据Erase Block等操作，所用的命令都是一样的，但是针对一些Nand Flash的高级的一些特性，比如交错页编程（Interleave Page Program），多片同时编程(Simultaneously Program Multi Plane)等，所用的命令，未必一样，不过对于同一厂家的Nand Flash的芯片，那一般来说，都是统一的。

关于一些常见的操作，比如读一个页的Read操作和写一个页的Page Program，下面开始更深入的介绍。