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是嵌入式世界裡常見的儲存器，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即序列介面的NAND Flash，而Raw NAND是並行介面的NAND FLASH，早期並行介面通訊資料率是明顯高於序列通訊資料率的，但隨著序列通訊速度越來越快，並行介面速度優勢顯得不那麼重要了，反而因訊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訊號線其實也不少，比如高速的序列HyperFlash訊號線數量已經直逼x8 bit的Raw NAND FLASH，所以Raw NAND市場還是堅挺的，你會發現各大儲存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晶片，各廠商都是自由設計，因此尺寸不統一、儲存結構差異大、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，至少在驅動程式碼層面是一樣的，那麼各廠商競爭優勢在哪呢？主要在三個方面：資料存取速率、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，這也說明了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）
資料線寬度：x8 / x16
訊號線模式：Asynchronous / Synchronous
資料採集模式：SDR / DDR
介面命令標準：非標 / ONFI
本文的主要研究物件是相容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裡包含的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訊號與封裝
ONFI規定了Raw NAND訊號線與封裝，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，訊號線主要掛在IO控制與邏輯單元，x8 Raw NAND主要有15根訊號線（其中必須的是13根，WP#和R/B#可以不用），關於各訊號線具體作用，請查閱相關文件。
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援的（M），還有一部分是可選支援的（O）。必須支援的命令裡最常用的是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的狀態暫存器，這個狀態暫存器用來儲存NAND命令執行狀態與結果，其中有兩個bit（RDY-SR[6]和FAIL-SR[0]）需要特別關注，RDY用於指示命令執行狀態（這個bit與外部R/B#訊號線功能是一致的），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，用於獲取晶片內部儲存的出廠資訊（包括記憶體結構、特性、時序、其他行為引數等），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資訊，在設計NAND軟體驅動時，可以通過獲取這個Parameter Page來做到程式碼通用。
2.5 Raw NAND資料速率
前面講了，資料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標準定義了一部分，我們知道Raw NAND資料存取操作是以Page為單位的，Page操作時間決定了資料存取速率，Page操作時間由3部分組成：
Page操作時間（tReadPage） = Page命令操作時間（tCmd） + Page命令執行等待時間（tBusy） + Page資料操作時間（tData）
以上三部分時間裡，ONFI定義了Page命令/資料操作時間標準，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是主機傳送的第一個位元組，用於通知NAND Device主機想要讀取Page，隨後的5個位元組傳送的是地址資料，用於通知NAND Device主機想要從什麼地址獲取資料，0x30是主機傳送的最後一個位元組，用於通知NAND Device讀取Page命令傳送已經完成，至此命令操作週期已經結束，NAND Device此時開始進行內部處理流程：拉低外部引腳R/B#或將內部暫存器SR[6]置0表明我正在忙，然後從記憶體塊裡將主機指定地址所在的Page資料全部拷貝到臨時快取區（Page Buffer），對這一整個Page資料進行ECC校驗，如Page資料校驗通過，拉高外部引腳R/B#或將內部暫存器SR[6]置1表明我已經準備好了，至此命令執行等待週期已經結束，主機開始按Byte依次將Page資料讀出來，所有Page資料全部都被讀出來後，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tCmd：
tCmd = (cmdBytes + addrBytes) x (tWP + tWH) = 7 * (tWP + tWH)
下圖是資料讀取操作具體時序，分為兩種：Non-EDO模式（RE#上沿取樣資料）和EDO模式（RE#下沿取樣資料），從圖中我們知道tRC是RE#訊號的一個週期，通俗地說，Non-EDO模式一般用於低速模式（即tRC > 30ns時），而EDO模式一般用於高速模式（即tRC < 30ns時）。根據時序圖我們可以粗略計算出tData：
tData = dataBytesInOnePage * tRC
讓我們把tCmd和tData代入tReadPage計算公式可得如下等式，我們知道其中tBusy是無法得知的，那麼其他三個時間tWP、tWH、tRC到底是多少呢？
tReadPage = 7 x (tWP + tWH) + tBusy + dataBytesInOnePage * tRC
繼續檢視ONFI手冊可以找到答案，ONFI規定了六種timing mode（0-5），timing mode table裡指明瞭所有時序相關的引數數值範圍，當然也包括tWP、tWH、tRC，以最快的timing mode 5來計算：
tReadPage = 7 x 20ns + tBusy + dataBytesInOnePage * 20ns = (dataBytesInOnePage + 7) x 20ns + tBusy
我們似乎離答案更近一步了，但tBusy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資料手冊的扉頁Features裡直接找到答案，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裡我們可以知道tReadPage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tBusy = 25us - 20ns * （1024 + 7） = 4.38us，知道了tBusy讓我們計算一下x8 bits下的tReadPage = 20ns * （2048 + 7） + 4.38us = 45.48us，再計算x8 bits下的讀取資料率 2048Bytes / 45.48us = 360.246Mbps，這個資料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，它通過對一定量的資料塊（一般是256/512bytes）進行計算得到ECC碼（一般8bytes），在Page Program時將原始Page資料與ECC碼一同存入NAND Flash，在Read Page時同時獲取Page資料與ECC碼再進行一次計算，如果該Page資料沒有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資料塊中錯誤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片來具體分析壞塊與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資料，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壞塊資訊、8bytes ECC碼、6bytes使用者資料組成。要特別說一下的是ECC區域，當晶片硬體ECC功能開啟時，8bytes ECC碼區域會被自動用來儲存ECC資訊，而如果晶片沒有硬體ECC功能，這個區域可以用來手動地存放軟體ECC值。
下圖是晶片Error管理相關資訊，也包含了ECC，從圖中我們可以知道這款晶片ECC是4bits，壞塊是用0x00來標識的，並且承諾該晶片出廠時每個Die裡所含有的4096個block最多隻會有80個壞塊。這些資訊除了在晶片手冊裡可以找到之外，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命令來擴充套件。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規定晶片上電初始為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設定到想要的數值。
繼續以前面分析過的Micron生產的型號為MT29F4G08ABBxA為例，下圖是該晶片的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晶片，另一種是含Raw NAND的儲存方案（比如SSD硬碟），對於嵌入式開發而言，我們更關心的是裸Raw NAND晶片產品，下面痞子衡收集了可以售賣SLC Raw NAND晶片的廠商及產品系列：
| 廠商 | 晶片系列 | 官方網址 |
|---|---|---|
| Micron | MT29F | https://www.micron.com slc-nand-part-catalog |
| Numonyx | NAND256, NAND512 | https://www.micron.com slc-nand-part-catalog |
| Macronix | MX30LF, MX60LF | http://www.macronix.com slc-nand-part-catalog |
| Winbond | W29N | http://www.winbond.com.tw slc-nand-part-catalog |
| Spansion | S34ML, S34MS, S34SL | http://www.cypress.com/ slc-nand-part-catalog |
| ISSI | IS34ML, IS34MW | www.issi.com slc-nand-part-catalog |
| Toshiba | TC58B, TC58N | http://toshiba.semicon-storage.com |
| SK Hynix | H27U | http://www.hynix.com slc-nand-part-catalog |
| Samsung | K9F, K9K | http://www.samsung.com/semiconductor/ |
至此，ONFI標準及SLC Raw NAND痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~