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解读U盘存储结构与数据恢复  

2014-12-07 13:57:42|  分类: 硬盘问题大全 |  标签: |举报 |字号 订阅

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闪存名称的由来主要就是因为其存储介质是Flash Memory,有多种技术能实现半导体存储,其中主要有NAND(与非)和NOR(异或)两种。而我们如今用的大容量闪盘基本都是NAND型的,这是为什么呢?最主要的原因是:两者容量/单位成本!其次是速度!都有很大不同,因此应用场合有所不同。

  

先来讲讲速度

Flash闪存是非易失存储器(所谓非易失性即掉电仍旧能保存信息的特性),可以对称为块的存储器单元进行擦写和再编程。

NAND电子盘模块结构图,内部不存在存储控制器,我们可以简单地认为某容量(比如32MB)内部分成一个个小方块似的存储空间,每个空间内都能存储一定量大小的信息。

NOR型闪存的块大小为64128KB,而NAND型闪存块的大小为832KB,在上一篇中介绍的三星闪存块头大小就是16KB,整个32MB容量是由2000个这样大小的存储空间组成。

任何Flash闪存的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行,所以大多数情况下,在进行写入操作之前必须先执行擦除操作。NAND闪存执行擦除操作是十分简单的,而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位(bit)都写为0

NAND型的单元排列是串行的,而NOR型则是并行的。在NAND型闪存中,存贮单元被分成页,由页组成块。根据容量不同,块和页的大小有所不同,而组成块的页的数量也会不同,如8MB的模块,页大小为(512+16Byte、块大小为(8K+256Byte;而2MB模块,页大小为(256+8Byte、块大小为(4K+128Byte

该三星闪存芯片的页大小为(512+16Byte,块大小为(16K+512Byte

NAND型存贮单元的读写是以块和页为单位来进行的,像硬盘多过像传统的内存。实际上,NAND型的Flash Memory可以看做是顺序读取的设备,它仅用8比特的I/O端口就可以存取按页为单位的数据。正因为这样,它在读和擦文件、特别是连续的大文件时,与NOR型的Flash Memory相比速度相当的快。但NAND型的不足在于随机存取速度较慢,而且没有办法按字节写;这些方面就恰好是NOR型的优点所在:NOR型随机存取速度较快,而且可以随机按字节写。正因为这些特点,所以NAND型的Flash Memory适合用在大容量的多媒体应用中,而NOR型适合应用在数据/程序存贮应用中。

好了,我们来看一下两者写入/擦除的速度有何不同:

                                                   NOR                  NAND

写入/擦除一个块操作时间      15s                24ms

读性能                                      12001500KB    600800KB

写性能                                       <80KB               200400KB

大家看到,根本不是一个数量等级上的,大概相差1000倍!所以NOR型闪存比NAND慢了很多——尤其是在写入数据时。为什么会慢呢?除了执行动作与非异或操作快很多外(这个在基础电子学中说得非常明白),另一个原因是NOR的每块体积大,肥肉多,电子要把其一口吞掉实在是需要多花费功夫的。而且,执行擦除操作时尺寸的不同进一步拉大了两者之间的性能差距。

我们把两者总结如下:

※ NOR的读速度比NAND稍快一些;

※ NAND的写入速度比NOR快很多;

※ NAND4ms擦除速度远比NOR5s快;

大多数写入操作需要先进行擦除操作;

※ NAND的擦除单元更小,相应的擦除电路更少。

但是,速度问题就这么简单吗?我们再来看看两者接口的不同对速度造成的影响。

NOR

NAND

接口/总线

SRAM接口/独立的地址数据总线

8位地址/数据/控制,I/O接口复杂

读取模式

随机读取快

串行地存取数据

我们看到,NOR因为有足够的地址引脚来寻址,Cell索引表与每个Word LineBit Line相连,可以很容易地随机存取其内部的每一个字节,而NAND却不同,Cell表紧密连接,一串中只有前后Cell才与Bit Line相连,因此集成度较高,处理速度较慢——尤其是随机读取时需要一串串查找。

再来讲讲成本、容量和寿命的区别

NAND成本较低,单元尺寸约为NOR的一半,生产过程简单,同样大小可以做更大的容量。

容量及应用场合116MB,主要用于存储代码8MB1GB,主要用于存储数据,比如CompactFlashSecure DigitalPC CardsMMC存储卡从电子制造成本方面说,越小精密度越高的东西反而成本越低(这与做MP3不同),当然,采用先进制造工艺比如.18微米工艺能大幅降低成本。

最后说说可靠性和寿命问题

                                       NOR         NAND

擦写次数(耐用性)   10万次    100万次

位交换(bit位反转)                  较多

关键性数据需要错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法

坏块处理无,因为坏块故障率少、随机分布,无法修正

我们看到,NAND闪存除了具有101的块擦除周期优势,典型的NAND块尺寸要比NOR8倍,每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些,而且寿命较长,是NOR的十倍左右。其次,NAND因为是内部是半导体存储模块(晶体管),很难保证寿命期内没有任何坏块出现(晶体管在高温、震动或者疲劳读写情况下容易失效),我们通常是通过对闪存进行初始化扫描发现坏块,并将其标记为不可用——这样一来,闪盘的容量会越来越少,不信你连续格式化100次,看看有没有缩水的?这很好地解释了闪盘容量神秘减少的原因。闪盘的驱动决定了存储的数据决不能向坏块写入,这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。

简单地说,NOR型闪存像内存,存储程序代码为主,CPU能直接处理,我们可以称之为Code FlashNAND型闪存像硬盘,存储数据为主,容量大,我们称之为Data Flash

总之,鉴于NAND型闪存拥有大容量低成本高速度小体积的先天优势,它当然是作为闪盘的首选存储介质啦!
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