SPI Nand Flash 简介

1. SPI－通信协议

SPI：Serial Peripheral Interface

SPI，IIC，UART是串行通信接口。串行接口的好处是占用资源比较少，只需要一条数据线进行单bit的传输。但是速率相对会比并行通信接口慢。

SPI有4条信号线，SCK, MISO(master in slave out), MOSI(master out slave in), CS/SS.

SPI controller一般可通过PAD连接闪存，比如Cadence公司的Octal-SPI NAND Flash controller, 支持8-bit的数据和地址传输，这样的速度会比传统的单比特串行SPI快很多。因为Flash memory是非易失性存储的，可用于FPGA或者车载芯片上的存储数据的加载。

2. Flash Memory
   根据硬件上存储原理的不同，Flash Memory主要可以分为NOR Flash和NAND FLASH两类。主要的差异如下所示：
   NAND FLASH读取速度与NOR Flash相近，根据接口的不同有所差异；
   NAND FLASH的写入速度比NOR Flash快很多；
   NAND FLASH的擦除速度比NOR Flash快很多；
   NAND FLASH最大擦次数比NOR Flash多；
   NOR Flash支持片上执行，可以在上面直接运行代码；
   NOR Flash软件驱动比NAND FLASH简单；
   NOR Flash是随机按字节读取数据，NAND FLASH是按块进行读取。
   大容量下NAND FLASH比NOR Flash成本要低很多，体积也更小；
   （注：NOR Flash和NAND FLASH的擦除都是按块进行的，执行一个擦除或者写入操作时，NOR Flash大约需要5s，而NAND FLASH通常不超过4ms。）

• Flash 工作原理

这里要提到Flash的最小存储数据的单元叫做cell。每一个cell就是一个场效应管。但是跟普通的MOS管有一点区别在于，Flash里面的MOS管有两个栅极－控制栅极和浮置栅极。控制栅极根普通的MOS管一样用来接电压产生一个垂直于电压的电场，从而推动电子移动产生电子沟道和电流。而Flash的MOS管在控制栅极下面还有一个浮置栅极涌来存储电子。浮置栅极的上下都有一层绝缘体。当我们要写入0的时候，将控制栅极接一个正向电压，基底接地，这时候沟道导通。同时再加大电压，电子就会穿过绝缘层跑到浮置栅极，我们在断电，这时候电子就被保留在浮置栅极里面。当我们要读取这个cell的数据，只需要测试这个cell的电压区间从而得到对应的0或者1。cell的位置可由字线(Word Line)和位线(Bit Line)唯一指定。NAND Flash中每一行的每个cell的控制栅极连接到同一条Word Line，每一列的每个cell的基底连接到同一条Bit Line。默认cell的数据都是1，当我们要写0的时候，只需要将字线接一个正向的电压。但是由于一行的cell都连接到同一条字线，如果旁边的cell要保持1的数据如何操作呢，这时候只需要将旁边cell的位线接到正电压，就不会产生电位差和电场，也不会有电子的移动。

• NAND Flash SLC MLC TLC和QLC

NAND Flash广泛应用于各种存储卡，SSD，eMMC中。主要分为SLC (Single Level Cell)，MLC (Multi-Level Cell), TLC (Triple-Level Cell), QLC (Quad-Level Cell) 和3D NAND Flash。他们的区别在于每个cell可存储的数据量。由于MOS管是通过电压来控制数据的0/1变换，SLC就只需要两个电压区间来吸引电子到浮置栅极。而MLC则需要4个电压区间来吸引电子到浮置栅极以保存数据。TLC和QLC则需要更多电压区间。随着产品和纳米技术的更新，单位cell能存储的数据更多体积更小，擦除的次数也会变多，而且由于需要更精确的电压检测，使得读取的速度也会更慢。一条字线上可存储的所有数据叫做page。一个colume由8bit或者16bit组成。所以在读取一个数的时候需要block address，page address和colume address，这样至少久消耗了3个时钟，这也是为什么读取速度NAND要比NOR慢。

Page又分为main area用来存储普通数据和spare area用来存储读写操作时的校验码等(例如ECC校验码)。

SLC：1 bit，2 voltage value (0/1)，1 WL ＝ 1 Page

MLC：2 bit，4 voltage value (00/01/10/11)，1WL＝ 2 Pages

TLC： 3 bit，8 voltage value (000/001/010/011/100/101/110)， 1WL ＝ 3 Pages

QLC：4 bit，16 voltage value (0000/0001/0010/0011/0100/.../1110/1111)， 1 WL＝ 4 Pages

目前 SPI NAND flash的使用在网通类，消费类的市场多了；因为nor flash 可以被SPI NAND flash替代，读取速度都是差不多，运行容量可以直接用SPI NAND flash的容量，多出的容量也可以存储其它文件，便于一些需要存储需求的项目。