技术小课堂| NAND Flash与MCU集成的细微之处

如何选择NAND设备和接口类型
对于MCU开发人员而言，大多数NAND设备过于复杂而无法集成-主要是由于其纠错要求。通常，SLC（single-level Cell，每个存储单元存放1位数据）Flash需要进行1位校正位，而MLC（Multi Level Cell，单个存储单元可以存储多个位，如2位，4位等）需要进行多位校正位。

MCU开发人员可以从以下三类中选择NAND设备：
1、具有内置ECC计算引擎的Flash，MCU不需要处理ECC，大多数SPI NAND器件包含此功能。
2、Flash需要的1位ECC校正可以通过软件完成。
3、MCU集成了带ECC引擎的NAND控制器，能够匹配所选NAND Flash。通常，MCU集成的NAND控制器只能管理少量位错误（1-8），而应用处理器可能具有更为复杂的ECC引擎。

NAND Flash与MCU的连接有两种方式。传统方法是使用地址与数据复用的8位数据总线。另一种方式是SPI接口，其优点是与MCU的接口简单，且大多数SPI接口的NAND Flash设备包含ECC引擎，可以减轻MCU的处理负担。

关注NAND固有特性
使用NAND Flash的复杂性是许多细微差别导致的，这些差别是这种存储介质不可或缺的一部分。通常，Flash密度越高，使用越复杂。以下是需要注意的事项：
出厂坏块信息：出厂时，设备中的某些块即不可用。在设备生产时，将对每个块进行测试，并将测试失败的块标记为坏块。
ECC校验：所有NAND Flash使用过程中，一些位会变得粘滞或状态翻转。Flash密度越大越不稳定。为了满足设备参数，制造商需要指定所需的纠错级别。ECC存储在每个页的备用区域中。ECC需要大量的计算，纠错的位数越多，工作量越大。
数据保持：使用指定的ECC纠错时，数据可以保持稳定状态的时间。
擦写次数：当指定的ECC不能保护数据之前，每个块可以写入和擦除的次数。
读干扰：对页的读取或写入操作可能会干扰另一页面的内容。

NAND Flash还有许多微妙之处，但并未全部标注在文档中。制造商还对使用场景做出假设，这些并没有记录在案。使用故障安全的软件（如SafeFAT）是最可靠的方法。

通常，给出的错误纠正、数据保持等数字是基于概率计算的，它们倾向于使用“典型”一词，而很少使用“保证”一词。不同的属性也会相互影响–例如，通常，块的擦除次数越多，数据保持率就越低。但此类信息无法从产品数据表中获得。此外，环境条件也会影响这些数字以及Flash使用的寿命。设计产品时，你应该确保设备在指定的参数范围内运行良好。

如果使用场景接近使用的NAND Flash部件的限制，建议您采取两种措施：
1、为您的应用场景建模设备的寿命
2、插入大量错误测试


无需畏惧软件管理
NAND Flash的管理使用Flash转换层（FTL）。FTL对应用程序（或文件系统）隐藏Flash的操作细节，仅处理一组扇区，下图所示。

FTL的开发是一个专业主题。需要考虑的关键因素包括：
1、FTL是故障安全的吗？实现故障安全需要做什么？
2、支持的FLASH类型？
3、写入放大值？
4、磨损平衡（wear-leveling）能力？
5、处理边界编程？
6、在应用上下文中的性能要求？


总结

许多类型的NAND Flash可供MCU使用，仔细考虑系统要求，选择合适的NAND Flash部件可以构建强大的存储系统。但设计需要付出大量的努力并了解所选NAND部件的细节，这可能需要专业知识。

0