你眼中的硬盘是什么样的？硬盘技术知识讲解

在嵌入式开发中，如果芯片内部有Flash，应用程序通常保存在芯片内部FLASH中，比如Cortex-M系列的单片机；如果芯片内部没有Flash，则应用程序通常保存于外部的NAND FLASH中，比如Cortex-A系列的芯片。这些Flash都是可以通过软件编码进行重新编程。

在计算机发展早期，数据是存储在ROM中，ROM中的数据只读不可写，应用有限，直到后面出现的EEPROM、NAND存储器，使得计算机存储技术的应用得到快速发展，特别是近十年广泛应用的高速存储技术eMMC与UFS，推动消费电子领域的快速发展，比如手机存储技术，现今最新款的小米11，使用了UFS3.1技术。

一、存储器的发展

存储器的快速发展得益于半导体技术的发明与发展，特别是晶体管与CMOS管的发明，通过电信号来控制自身开合，以开关的断开和闭合来代表0和1，这些就是存储电路的基本逻辑构成，随着集成电路的出现，ROM存储技术也随之产生。如下简要了解存储技术的发展史：

二、ROM

ROM是Read Only Memory的简称，即为只读存储器。ROM内部的程序是在ROM的制造时被烧录进去的，其中的内容只能读不能改，一旦烧录进去，用户只能读取内部的数据，不能再作任何修改。如果发现ROM的内容写错，则该ROM芯片只能报废。由于ROM是在生产线上生产的，由于成本高，一般只用在大批量应用的场合。

三、PROM

由于ROM在出厂时已被固化，用户无法定制自己的程序和数据，因此进行了改进，出现了PROM（Programmable ROM，可编程ROM）。也就是出厂时ROM里面没有数据即全为1，用户可以用专用工具进行固化程序数据到ROM中，但是这种机会只有一次，一旦写入后也无法修改，若是出了错误，已写入的芯片也只能报废。

四、EPROM

PROM这种只能一次性编程显然成本高不符合开发需求，因此EPROM（Erasable Programmable ROM，可擦除可编程ROM）芯片出现，通过紫外线可重复擦除和写入，解决了PROM芯片只能写入一次的弊端。

EPROM芯片有一个很明显的特征，在其正面的陶瓷封装上，开有一个玻璃窗口，透过该窗口，可以看到其内部的集成电路，紫外线透过该孔照射内部芯片就可以擦除其内的数据，完成芯片擦除的操作要用到EPROM擦除器。

EPROM的型号有以27开头的系列，如2764(8*8K)是一片64K Bits容量的EPROM芯片。EPROM芯片在写入程序后，还要以不透光的贴纸或胶布把窗口封住，以免受到周围的紫外线照射而使程序丢失。

四、EEPROM

虽然EPROM可多次擦除编程，但是由于需要编程器，所以EPROM还是不是很方便使用，因此 EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM，电可擦除可编程ROM）随着产生。EEPROM的擦除不需要借助于其它设备，它是以电子信号来修改其内容的，而且是以Byte为最小修改单位，不需要全部擦除再写入，很适合嵌入式设备的外部存储器。

目前EEPROM还有在使用，以Ateml公司的AT24C系列的CMOS E2PROM为例，其采用IIC通信接口，电压1.8-3.6V，嵌入式设备应用很广泛。

五、Flash

Flash目前主要是Intel于1988年开发出的NOR flash技术和1989年东芝公司开发的NAND flash技术；它们的出现彻底改变了存储器市场上由EPROM（Erasable Programmable Read-Only-Memory电可编程序只读存储器）和EEPROM（电可擦只读存储器Electrically Erasable Programmable Read - Only Memory）一统天下的局面。

这两种技术区别在于接口与内部存储结构。在接口方面，NOR flash有独立的地址与数据线，而NAND flash没有，他们的特性区别如下表所示：

内部结构方面（基于SLC NAND），如下表所示区别：

5.1、nor flash

NOR Flash最大特点是支持XIP(Execute On Chip），既程序可以直接在NOR flash的片内执行，在NOR Flash中的代码运行时不需要重定位复制到RAM内。

如上图所示Nor Flash，型号为MX29LV160。

NOR Flash的地址线和数据线分开，只要能够提供数据地址，数据总线就能正确给出数据。不过不能直接对它进行写操作，执行写操作之前需要先发送固定的命令序列，然后发送写操作的地址和数据。

NOR Flash存储器的最小访问单元一般分为8位和16位的，也有一些NOR Flash器件同时支持8位和16位模式，这种Flash的位宽可以在设计硬件时选择，当芯片的BYTE#引脚接为高电平，芯片工作在位宽16位模式，BYTE#引脚设为低电平时，芯片工作在位宽8位模式。

NOR Flash一般有多个扇区，扇区是NOR Flash擦除的最小单位，Nor Flash中每个扇区的大小也不是固定的。

MX29LV160为例，写时序图如下所示（地址与数据总线是独立的）：

读时序图如下所示，具体可参考数据手册：

5.2、nand flash

5.2.1、nand类型

Nand flash是现在使用最多的闪存技术，现在主流的SD卡、eMMC、UFS、SSD等都是基于Nand flash技术的。但是Nand flash根据其存储单元的类型，可分为SLC、MLC、TLC、QLC、PLC、…… 后续会有很多类型的LC系列。这些类型的区别是同一个存储单元可以表示的数据位数不同，以SLC、MLC、TLC、QLC为例如下图所示：

SLC：一个单元表示1bit数据；

MLC：一个单元表示2bit数据；

MLC：一个单元表示3bit数据；

QLC：一个单元表示4bit数据；

因此同样尺寸大小的nand flash，基于QLC可以存储的容量是SLC的4倍之多。但是虽然存储容量多，但是在读写速率、擦除寿命及稳定性上却是更低的，目前市面上比较多的是基于SLC、MLC、TLC单元结构的，特性对比如下：

SLC读写快，寿命长，但价格贵，容量低；而TLC读写慢，寿命短，但价格便宜，容量高。所以市面上基于nand flash的产品中，低端产品大部分都是TLC，中端产品大部分都是mlc，企业级的高端产品就是用SLC，追求的是稳定。

5.2.2、2D与3D技术

现在市场上追求的是设备的小型化，但是容量要求最大化，因此通过不断地提升制程工艺技术，减小每个存储单元的大小，如从45nm到16nm（目前最先进制程为高通骁龙888处理器达5nm），能到达同样的芯片体积存储容量进行扩大。

但是制程提高也带来了一个瓶颈，当随着制程工艺提高，每个存储单元越小，nand单元颗粒的氧化层越薄，可靠性越低，特别是QLC这种一个存储单元表示4bit/cell数据，影响更大。

假设存储单元电压是 1.8V，对 SLC 而言，一个 bit 有二个状态，平均分配 1.8V 电压，每个状态可以分到 0.9V；对 MLC 而言，四个状态平均分配电压，每个状态可以分到 0.45V，以此类推，TLC 每个状态只可以分到 0.225V，而 QLC 更惨，每个状态只可以分到 0.1125V。在这么小的电压下，这么多的状态以极小的电压区隔，电压区隔越小越难控制，干扰也越复杂，而这些问题都会影响 TLC 或 QLC 闪存的性能、可靠性及稳定性。

Nand 2D技术属于平面闪存（Planar NAND）范畴，其通过工艺提高容量瓶颈在10/9nm上；因此Nand 3D技术早在2007年就被提出来，即立体结构闪存。举例说明：如果2D是平房，则3D就是高楼大厦，3D就是N层的2D闪存的堆叠，如上图所示

但是3D并不是简单的进行堆叠，不同的公司有不同3D技术工艺，在3D闪存中具有代表性的工艺有：

也正因为3D NAND的技术，使得部分采用相应技术的TLC产品达到了MLC的性能，就是我们常说的3D TLC。而三星、美光等大厂的第四代颗粒3D QLC产品也已经投入了市场，让广大消费者体验到了更高的容量、更低的价格、更快的读写性能。

随着3D Nand的出现，2D由于无法在缩小单元尺寸的瓶颈限制，已经走到尽头，现在最新的3D堆叠层数达到了128层，如下图所示：

5.2.3、nand接口与时序

Nand flash比nor flash写/擦除快，寿命长，成本低，得到更加广泛的应用，但是其没有独立地址总线与数据总线，地址与数据共用8bit/16bit IO，因此其读取速率方面比nor略低一些。

以美光MT29F系列nand flash为例（如MT29F16G08），其复用8bit或16bit IO用于传输命令、地址、数据，同时有5组控制信号CE#,CLE,ALE,WE#,RE#，还有WP写保护与R/B状态信号线。

各个引脚功能描述如下表所示：

写命令时序：

写地址时序：

数据写入时序：

数据读取时序：

以上读写MT29F系列芯片的具体命令与地址信息组成可参考MT29F系列的规格书，网盘地址为：

后台回复：MT29F

六、MMC与SD系列存储卡

6.1、存储卡发展简介

Nand Flash的出现使得数据存储得到快速的发展，但是Nand Flash只是一种存储介质，要在其上读写数据，需要外部加上主控和电路设计，因此会影响到读写速率的提升，同时也是有点复杂。

基于此，控制器+Nand Flash组合的存储结构模式开始出现，控制器用于处理Nand Flash的存储逻辑，同时也可以管理NAND的坏块、ECC校验等，解放了外部主芯片的工作，提高了开发效率。于是，MMC卡、SD卡(TF卡)、eMMC卡、UFS等各种接口卡开始出现。

MMC是比较早出现的一种卡类型，其所定义的总线接口类型及通信协议规范，后续都被SD卡规范及eMMC规范继承和延续，参考如下图：

首先，在1997年，西门子公司和SanDisk推出MMC（MultiMedia Card）卡，成立了MMC协会（MultiMedia Card Association简称MMCA），MMC的发展目标主要是针对数码影像、音乐、手机、PDA、电子书、玩具等产品。

其次，在1999年，日本松下、东芝及美国SanDisk公司共同开发研制了SD（Secure Digital Memory Card）卡，在MMC卡基础上，扩展了总线协议，支持数据存储的安全性。后续Mini SD（Mini Secure Digital Memory Card）从SD卡发展而来，体积是SD卡60%，性能跟SD卡一样；

在2004年，摩托罗拉与SANDISK共同研发TF卡（TransFLash），体积更是只有SD卡的1/4，因此，后续早期智能手机的容量扩展都是用来TF卡。

早期SD规范只是针对数据存储，即只连接SD卡；后面制定了SDIO规范，除了可以外接SD卡外，通过SD总线还可以连接外围其他IO设备，如WiFi card，Bluetooth card，GPS card等，因此现在SDIO接口基本上可以兼容SD卡与MMC卡。

2010年，随着智能手机的发展，需要更快速率的数据存储，因此新的eMMC（Embedded Multi Media Card）规范也发展起来，在2011年至2016年，智能手机的存储FLASH主要基于eMMC接口；而2016年后，更快的UFS规范的出现，将eMMC替换，UFS成为当下智能手机的主要存储FLASH。

6.2、存储卡接口

1、MMC接口：

MMC卡接口共只有7针，支持SPI模式与MMC模式，3根电源线，4根通信线，如下图所示，分别是SPI模式（Do,Di,CLK,CS）与MMC模式（CMD,DAT,CLK），所以MMC只支持单根数据线。

2、SD接口

SD接口从MMC中扩展而来，增加到了9针，SD卡大小和MMC卡差不多，比MMC稍微厚一点，其也是有分为SPI模式与SD模式，其中SD模式有1线和4线模式，1线模式可兼容MMC卡的MMC模式。

上图描述了SD与MMC接口的对于关系，MMC卡可以通过转换适配器当作SD卡使用（即使用SD卡1线模式），SD接口个引脚含有如下表：

3、TF卡接口

TF卡接口是SD卡接口的延续，只有8针，在SD接口上少第3脚VSS1，其它与SD接口一致。

TF也称为microSD卡，因此可以通过转换器转为SD使用。

TF卡也支持SPI模式与SD模式，跟SD卡一致，但是体积比SD卡小很多。

4、eMMC接口

eMMC接口有MMC发展而来，也是由MMC协会订立，其数据总线扩展到了8位，主要应用是对存储容量有较高要求的消费电子产品，比如手机。

随着eMMC规范版本的升级，其通信速率也不断的提高，最大速率可达400MB/s，如下表所示，在UFS出现前，智能手机存储器基本上是基于eMMC接口。

5、UFS接口

UFS（Universal Flash Storage）是JEDEC发布的新一代通用闪存存储标准，包括主机侧和内存芯片侧的标准。物理层是MIPI M-PHY，接口协议是SCSI。

如上图所示，下行数据流DOUT与上行数据流DIN是独立的，走差分信号，因此可以进行全双工通信，相比与eMMC的半双工，速率提高几倍，因此现在市面高端智能手机基本都是UFS存储，最新小米11使用的是UFS3.1版本。

UFS卡的外观类似TF卡，有12针引线，每个引线的含义如下图所示：

由于UFS相比与TF卡，存储速率有明显优势，将来替换TF卡不可避免，比如在运动相机、航拍飞机等对速率要求更高的领域。

下图描述的eMMC与UFS的发展时间表，UFS具体的规范信息可参考官方网站下载：

https://www.jedec.org/document_search/field_committees/28?page=1

七、SSD硬盘

上面的那些存储卡基本应用于嵌入式领域，比如消费电子和物联网等设备，现在比较流行的SSD硬盘，内部存储也是基于Nand Flash存储，主要应用PC和服务器上。其内部也是由闪存芯片+控制器+缓存构成。

SSD硬盘通过主控连接的接口比较复杂，而且种类繁多，主要有SATA接口、PCIE等，如下表所示：

目前使用比较多的是SATA3、PCI-E、Msata、SATA Express、M.2、U.2接口，它们的速率、尺寸大小等特性如下表所示：

各种硬盘的接口常见的如下图所示：

八、HDD硬盘（传统机械硬盘）

目前硬盘有三种类型，分别为：机械硬盘（HDD）、固态硬盘（SSD）、混合硬盘（SSHD），如下表所述：

HDD硬盘出现时间甚至比ROM还更早，上个世纪50、60年代初，发明了机械硬盘HDD，体积巨大，容量奇小，HDD硬盘发展历史如下表：

HDD硬盘的出现，促进了计算机快速发展，特别是90年代个人电脑的兴起，现在许多台式电脑还有很多的HDD硬盘。

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