【SSD】三维闪存 异步时序 同步时序

1.三维闪存

背景:为了在芯片里封装更多的存储单元,就需要把存储单元做小,随着半导体技术的提升,Cell的尺寸不断减小,但是这样会导致隧道氧化层页随着变薄,这样阈值电压会发生变化,最终造成隧道氧化层损坏,就不能够很好的存储数据了。数据上的体现是Cell之间的相互干扰程度却不断增大;二维Flash遇到了技术上的瓶颈,这是人们发明了三维闪存,到了三维闪存之后,就不需要通过缩小Mos管来增加Cell数量了,所以单元间的相互干扰就大幅度减小。

类型:

3DVG(vertical gate垂直栅极) 沟道堆叠

3DVC(vertical channel垂直沟道)栅极堆叠

ONFI2.3协议(Open NAND Flash interface,开放闪存接口协议)是由多家厂商联合制定的NAND闪存接口标准,统一了NAND的硬件接口时序和命令集,能让主控兼容多种闪存。其中包括了两种硬件的接口模式,异步时序和同步时序模式。

2.DDR3信号定义

此处的Input和Output是对flash闪存而言的

ALE:对闪存的输入,地址锁存使能,DQx总线上的数据会被当做地址锁存到NAND的地址寄存器中

CE:片选使能,低电平有效,用于选取Flash中的一个Die

CLE:命令锁存使能,信号有效时,DQx上的数据会被当作命令锁存到NAND的命令寄存器中

DQx:半双工总线,传输命令,地址,数据

DQS,DQS_t:同步信号,在同步读写中,NAND都以DQS的边沿位基准来采样/发送数据

DQS_C:是DQS的互补差分信号,可以理解位差分DQS的负极,二者电平完全相反

RE,RE_t:读使能,负责将数据从NAND Flash中的串行数据传输到主机

RE_C:RE的差分互补信号

WE:写使能信号,负责将主机的数据写入到NAND的Cache中

WP:写保护信号,低电平有效,有效时整个闪存阵列的编程和擦除操作完全被禁止。

Vcc:给闪存的核心逻辑电路通电

Vccq:给闪存的IO接口供电

Vpp:可选外部高压电源,主要用于编程和擦除操作。

Vss:闪存所有电路的核心gnd

VssQ:IO接口的核心gnd

ZQ:DDR接口输出阻抗校准的专用引脚

NC:无连接引脚

DNU:禁止使用的引脚,必须严格悬空

RFu:给未来设计的保留引脚,严格悬空

3.DDR3的信号有效电平

standby:待机模式,也就是标准默认状态

idle:空闲模式,也就是芯片被选中,处于就绪状态

Commandinput:命令输入模式

Address input:地址输入模式

4.异步时序

闪存接口有异步和同步之分,异步的传输速度慢,同步的传输速度快,异步接口没有时钟,每一个数据读由一次RE_n信号触发,数据写由WE_n触发。同步时钟的数据读写和时钟同步。

异步写数据时序图

首先熟悉命令:

CLE:Command Enable 命令锁存使能,高电平有效时,IO总线上数据会当作命令会存入选中的flash中

CE_n:Chip Enable 片选信号,低电平有效,芯片的Die被选中

WE_n:写使能信号,下降沿有效,下降沿时将IO数据写入Cache中

ALE:Address 地址锁存使能,高电平有效,此时IO总线上传输的数据就是地址

IOx:总线,可传输命令地址数据

如上图:

步骤是:命令---地址-----数据

CLE低电平,说明命令已经准备好;CE低电平,说明已经选好了准备的Die;ALE由高电平变为低电平,说明地址已经由host发送到Flash; 这个时候准备传输数据,等待WE的上升沿到来,就可以进行异步写数据。

数据的采样

分析数据的采样过程:

这是异步写数据,采样只在上升沿部分,根据WE的节奏,具体如下:数据准备好后,在WE的下降沿开始建立数据,过程包括下降沿到上升沿之间的tWP,其中tDS又称为数据建立时间,在这段时间数据会稳定下来,为采样做准备;

在tDH是数据稳定时间,这段时间数据趋于稳定,可以用来采样;再往后到下一个下降沿来临之前称为下一个数据的采样时间。

数据中的交叉三角形是怎么出现的?执行采样的主体是谁?

这个交叉区域虽然也位于tDS之中,但是这个部分是信号的逻辑电平变化的过程,是一个过度的状态。

执行采样过程的硬件:NAND芯片内部的输入寄存器/锁存器

异步读数据时序图

首先CE高电平转低电平,说明Die被选中了;R/B是Ready和Busy状态,低电平是Busy状态,而高电平是Ready状态,允许读。然后RE是读使能,上升和下降沿均有效,读出数据;

读数据过程的采样?采样的主体是?

读数据的过程采样的主体是host,根据host的时钟;同样是RE下降沿开始建立数据,要等tREA时间时候数据才会逐渐趋于稳定;采样发生在RE上升沿,采样时间区间在tRHZ,这段时间数据是稳定的,适合采样。需要注意交叉位置的数据是过度数据,不适合采样。

5.同步时序

补充Signal Description:

W/R_n:写的时候是高电平,读的时候是低电平

DQS,DQS_t:同步信号,用于区分每个数据传输的周期,便于准确传输接收数据;

读数据时,DQS由闪存产生,DQS的上下升沿和和数据的对齐

写数据时,DQS由host产生,DQS的中心对应数据的中间稳定区域

同步写数据时序图

如上图:首先CE低电平选取Die;

然后CLE和ALE由低电平到高电平,由host发送command和address到闪存并且锁存,准备就绪W/R_n位高电平,表现为写数据的状态,在经过时间tDQSS后数据准备就绪,根据CLK匹配DQS来实现数据往flash中写入。需要注意的是,DQS的上升沿和下降沿分别对应DQ数据的中心稳定位置,之后每半个时钟周期输出一组数据。

为什么DQS的上升沿和下降沿分别对应DQ数据的中心稳定位置?

看上图,有一个tDQSS,这是从数据输入到第一个DQS跳变发生的时间,在这个时间已经完成了数据的准备和建立的过程(写数据是已经准备好的),当DQS第一个上升沿开始数据区域稳定,收到采样命令就会立刻开始采样,这就是为什么DQS的上升沿和下降分别对齐DQ的中心稳定位置。

同步读数据时序图

CE,ALE,CLE的配置与写数据一样,只是W/R_n是变为了低电平进入读数据的状态。

读数据的时候i的DQS是flash生成的,DQS的跳变沿和DQ数据的跳变沿同步。

为什么会同步呢?

读数据和写数据的区别在于主机发信号读数据时,在进行采样之前还需要一个数据的准备过程。所以如下图,在DQS第一个上升沿来临时准备采样,它需要一个准备时间让数据区域稳定,这样设计能够在采样时正好处于数据的中心稳定位置。然后再来一个下降沿进行下一次采样,到数据D1中心稳定位置完成采样,以此类推。

6.区分DDR和SDR和QDR

什么是DDR和SDR和QDR

DDR(Doal Date Rate)双倍数据速率

SDR(Single Data Rate)单倍数据速率

QDR(Quad Data Rate)四倍数据速率

从字面意思上就是DDR在数据传输速率上是双倍于SDR的

|---|-------|-----------|-----------|
| | SDR | DDR | QDR |
| | 上升沿IO | 上升沿和下降沿IO | 上升沿和下降沿IO |
| | 读写半双工 | 读写半双工 | 读写全双工 |

DDR,DDR2,DDR3分别有什么区别?

它们的区别在于每次传输的数据位不同,DDR每次传输2bit,DDR2是2的2次方=4bit,DDR3是8bit。

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