Flash存储原理详解
Flash存储作为一种非易失性存储器,因其高速读写、大容量、低功耗等特点，在移动设备、固态硬盘等领域得到了广泛应用，本文将详细介绍Flash存储的原理，帮助读者深入了解这一技术。
Flash存储
Flash存储器是一种基于半导体存储技术的新型存储器,它利用浮栅晶体管（Floating Gate Transistor）的特性来实现数据的存储，Flash存储器分为NAND Flash和NOR Flash两种类型，它们在存储原理上略有不同。
NAND Flash存储原理
结构特点
NAND Flash采用多级单元结构，每个单元由多个晶体管组成，每个晶体管对应一个存储位，多个晶体管共同构成一个存储单元。
存储原理
NAND Flash存储原理基于浮栅晶体管的阈值电压变化，当晶体管处于开启状态时，阈值电压较低；处于关闭状态时，阈值电压较高，通过改变阈值电压，可以实现数据的0和1两种状态。
写入过程
写入数据时,首先将晶体管关闭，然后向浮栅注入电荷，使晶体管开启，注入电荷的多少决定了晶体管的阈值电压，从而实现数据的存储。
读取过程
读取数据时,通过检测晶体管的阈值电压，判断存储位的状态，若阈值电压低于某个阈值，则认为存储位为1；反之，为0。
NOR Flash存储原理
结构特点
NOR Flash采用单级单元结构，每个单元只有一个晶体管，晶体管与存储单元之间直接相连，读写速度较快。
存储原理
NOR Flash存储原理同样基于浮栅晶体管的阈值电压变化，通过改变阈值电压，实现数据的0和1两种状态。
写入过程
写入数据时,首先将晶体管关闭，然后向浮栅注入电荷，使晶体管开启，注入电荷的多少决定了晶体管的阈值电压，从而实现数据的存储。
读取过程
读取数据时,通过检测晶体管的阈值电压，判断存储位的状态，若阈值电压低于某个阈值，则认为存储位为1；反之，为0。
Flash存储优缺点
优点
（1）非易失性：断电后数据不会丢失。
（2）大容量：可存储大量数据。
（3）高速读写：读写速度快。
（4）低功耗：功耗低，适合移动设备。
缺点
（1）擦除速度慢：需要先擦除整个存储单元，再写入数据。
（2）寿命有限：每个存储单元可擦写次数有限。
Q1：Flash存储器的擦除和写入过程有何区别？
A1：擦除过程是先擦除整个存储单元，再写入数据；而写入过程是直接向浮栅注入电荷，改变晶体管的阈值电压。
Q2：Flash存储器的寿命是如何计算的？
A2：Flash存储器的寿命通常以擦写次数来衡量，NAND Flash的擦写次数一般在1000次左右，而NOR Flash的擦写次数一般在10万次左右。
Flash存储器作为一种新型存储技术,具有高速读写、大容量、低功耗等优点，了解Flash存储原理，有助于我们更好地应用这一技术，随着科技的不断发展，Flash存储技术将会在更多领域得到应用。
什么是Flash
Flash也是一种软件，是专门用来设计动画的。 用Flash设计动画，可以实现非常细致的要求，画面的连续性、画面质量等都可以达到很高的艺术效果。 可以这么说，用Flash可以设计出任何与传统动画影像制作软件相媲美的、甚至效果更好的动画影像来！ Flash设计已经逐渐发展成为一个行业，Flash设计者被美称为“闪客”。 因为Flash设计要求设计者有更高的设计理念、更专业的美学基础、更全面的电脑知识等，因此设计费用一般非常之高，大约每秒钟效果的设计费用为20-200元/秒不等。
固态硬盘的存储介质和原理是什么？
固态硬盘（Solid State Disk或Solid State Drive），也称作电子硬盘或者固态电子盘，是由控制单元和固态存储单元（DRAM或FLASH芯片）组成的硬盘。 固态硬盘的接口规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的相同，在产品外形和尺寸上也与普通硬盘一致。 由于固态硬盘没有普通硬盘的旋转介质，因而抗震性极佳。 其芯片的工作温度范围很宽（-40~85摄氏度）。 目前广泛应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空等、导航设备等领域。 目前由于成本较高，正在逐渐普及到DIY市场。 固态硬盘的存储介质分为两种，一种是采用闪存（FLASH芯片）作为存储介质，另外一种是采用DRAM作为存储介质。 基于闪存的固态硬盘（IDE FLASH DISK、Serial ATA Flash Disk）：采用FLASH芯片作为存储介质，这也是我们通常所说的SSD。 它的外观可以被制作成多种模样，例如：笔记本硬盘、微硬盘、存储卡、优盘等样式。 这种SSD固态硬盘最大的优点就是可以移动，而且数据保护不受电源控制，能适应于各种环境，但是使用年限不高，适合于个人用户使用。 在基于闪存的固态硬盘中，存储单元又分为两类：SLC（Single Layer Cell 单层单元）和MLC（Multi-Level Cell多层单元）。 SLC的特点是成本高、容量小、但是速度快，而MLC的特点是容量大成本低，但是速度慢。 MLC的每个单元是2bit的，相对SLC来说整整多了一倍。 不过，由于每个MLC存储单元中存放的资料较多，结构相对复杂，出错的几率会增加，必须进行错误修正，这个动作导致其性能大幅落后于结构简单的SLC闪存。 此外，SLC闪存的优点是复写次数高达次，比MLC闪存高10倍。 此外，为了保证MLC的寿命，控制芯片都校验和智能磨损平衡技术算法，使得每个存储单元的写入次数可以平均分摊，达到100万小时故障间隔时间(MTBF)。 基于DRAM的固态硬盘：采用DRAM作为存储介质，目前应用范围较窄。 它仿效传统硬盘的设计、可被绝大部分操作系统的文件系统工具进行卷设置和管理，并提供工业标准的PCI和FC接口用于连接主机或者服务器。 应用方式可分为SSD硬盘和SSD硬盘阵列两种。 它是一种高性能的存储器，而且使用寿命很长，美中不足的是需要独立电源来保护数据安全。 固态硬盘的优点固态硬盘与普通硬盘比较，拥有以下优点：1. 启动快，没有电机加速旋转的过程。 2. 不用磁头，快速随机读取，读延迟极小。 根据相关测试：两台电脑在同样配置的电脑下，搭载固态硬盘的笔记本从开机到出现桌面一共只用了18秒，而搭载传统硬盘的笔记本总共用了31秒，两者几乎有将近一半的差距。 3. 相对固定的读取时间。 由于寻址时间与数据存储位置无关，因此磁盘碎片不会影响读取时间。 4. 基于DRAM的固态硬盘写入速度极快。 5. 无噪音。 因为没有机械马达和风扇，工作时噪音值为0分贝。 某些高端或大容量产品装有风扇，因此仍会产生噪音。 6. 低容量的基于闪存的固态硬盘在工作状态下能耗和发热量较低，但高端或大容量产品能耗会较高。 7. 内部不存在任何机械活动部件，不会发生机械故障，也不怕碰撞、冲击、振动。 这样即使在高速移动甚至伴随翻转倾斜的情况下也不会影响到正常使用，而且在笔记本电脑发生意外掉落或与硬物碰撞时能够将数据丢失的可能性降到最小。 8. 工作温度范围更大。 典型的硬盘驱动器只能在5到55摄氏度范围内工作。 而大多数固态硬盘可在-10~70摄氏度工作，一些工业级的固态硬盘还可在-40~85摄氏度，甚至更大的温度范围下工作。 9. 低容量的固态硬盘比同容量硬盘体积小、重量轻。 但这一优势随容量增大而逐渐减弱。 直至256GB，固态硬盘仍比相同容量的普通硬盘轻。 固态硬盘的缺点固态硬盘与传统硬盘比较，拥有以下缺点：1. 成本高。 每单位容量价格是传统硬盘的5~10倍（基于闪存），甚至200~300倍（基于DRAM）。 2. 容量低。 目前固态硬盘最大容量远低于传统硬盘。 固态硬盘的容量仍在迅速增长，据称IBM已测试过4TB的固态硬盘。 3. 由于不像传统硬盘那样屏蔽于法拉第笼中，固态硬盘更易受到某些外界因素的不良影响。 如断电（基于DRAM的固态硬盘尤甚）、磁场干扰、静电等。 4. 写入寿命有限（基于闪存）。 一般闪存写入寿命为1万到10万次，特制的可达100万到500万次，然而整台计算机寿命期内文件系统的某些部分（如文件分配表）的写入次数仍将超过这一极限。 特制的文件系统或者固件可以分担写入的位置，使固态硬盘的整体寿命达到20年以上。 5. 基于闪存的固态硬盘在写入时比传统硬盘慢很多，也更易受到写入碎片的影响。 6. 数据损坏后难以的恢复。 传统的磁盘或者磁带存储方式，如果硬件发生损坏，通过目前的数据恢复技术也许还能挽救一部分数据。 但如果固态硬盘发生损坏，几乎不可能通过目前的数据恢复技术在失效（尤其是基于DRAM的）、破碎或者被击穿的芯片中找回数据。 7. 根据实际测试，使用固态硬盘的笔记本电脑在空闲或低负荷运行下，电池航程短于使用7200RPM的2.5英寸传统硬盘。 8. 基于DRAM的固态硬盘在任何时候的能耗都高于传统硬盘，尤其是关闭时仍需供电，否则数据丢失。 9. 据用户反映，使用低廉的MLC的固态硬盘在windows操作系统下运行比传统硬盘慢。 这是由于Windows操作系统的文件系统机制不适于固态硬盘。 在Linux下无此问题。 固态硬盘产品现有的固态硬盘产品有3.5英寸，2.5英寸，1.8英寸等多种类型，容量一般为16~256GB，比一般的闪存盘（U盘）大。 接口规格与传统硬盘一致，有UATA、SATA、SCSI等。 在CES 2008上，专业固态硬盘厂商BitMicro Networks展示了一款采用SCSI接口的专业级固态硬盘产品的内部结构（见右图）。 该产品在一块PCB上焊接了32颗TSOP封装的NAND闪存芯片。 BitMicro透露，该产品每GB平均价格为10美元左右，大约是主流机械硬盘的5倍。 朗科在2008年也推出了号称“国内第一款”固态硬盘产品。 而忆正则宣称已于2007年就已推出国内第一款固态硬盘产品。 紧随其后中基伟业也推出号称全球最快的固态硬盘产品，镁光堪称推出速度为1GB/S的固态硬盘（用固态硬盘作阵列）。 传统硬盘与固态硬盘优缺点对比1、防震抗摔性：目前的传统硬盘都是磁碟型的，数据储存在磁碟扇区里。 而固态硬盘是使用闪存颗粒（即目前内存、MP3、U盘等存储介质）制作而成，所以SSD固态硬盘内部不存在任何机械部件，这样即使在高速移动甚至伴随翻转倾斜的情况下也不会影响到正常使用，而且在发生碰撞和震荡时能够将数据丢失的可能性降到最小。 相较传统硬盘，固硬占有绝对优势。 2、数据存储速度：从PConline评测室的评测数据来看，固态硬盘相对传统硬盘性能提升2倍多。 3、功耗：固态硬盘的功耗上也要高于传统硬盘。 4、重量：固态硬盘在重量方面更轻，与常规1.8英寸硬盘相比，重量轻20-30克。 5、噪音：由于固硬属于无机械部件及闪存芯片，所以具有了发热量小、散热快等特点，而且没有机械马达和风扇，工作噪音值为0分贝。 传统硬盘就要逊色很多。 6、价格：目前市场上80G Intel固态硬盘，价格为4000元左右。 而这个价钱足够买几个容量为1TB的传统硬盘了。 7、容量：固态硬盘目前最大容量仅为256G，和传统硬盘最大按TB容量衡量相比差距很大。 8、使用寿命：SLC只有10万次的读写寿命，成本低廉的MLC，读写寿命仅有1万次；比起传统硬盘毫无优势可言。
什么是Flash Memory？
FLASH存储器又称闪存（快闪存储器），是一种电可擦可编程只读存储器（EEPROM）的形式，允许在操作中被多次擦或写，EEPROM与高速RAM成为当前最常用且发展最快的两种存储技术。 计算机的BIOS 、数字照相机等的存储卡中都使用闪存。
不同的是，EEPROM是以字节为单位进行数据更新，而闪存则以块为单位。 由于闪存可以比 EEPROM具有更小的电路，这使其能够达到更高的集成度，有利于降低价格。
FLASH结合了ROM和RAM的长处，不仅具备电子可擦除可编程（EEPROM）的性能，还不会断电丢失数据同时可以快速读取数据（NVRAM的优势），U盘和MP3里用的就是这种存储器。 在过去的20年里，嵌入式系统一直使用ROM（EPROM）作为它们的存储设备，近年来Flash全面代替了ROM（EPROM）在嵌入式系统中的地位，用作存储BootLoader以及操作系统或者程序代码或者直接当硬盘使用（U盘）。
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