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SDNAND是怎么读写擦是怎么进行的

SD NAND-贴片式TF卡-贴片式SD卡-免费测试2025-07-0916

SD NAND(集成了 NAND 闪存芯片和控制器的小型存储设备)的 “读”“写” 操作本质是与主机(如 MCU、处理器)的 “数据交互”,其工作原理与 NAND 闪存的物理特性紧密相关,核心围绕 “电荷存储” 和 “地址寻址” 展开。下面从 “读写触发场景”“工作原理”“擦除与写入的关系” 三个维度详细说明:

一、什么情况下触发 “读” 或 “写” 操作?

SD NAND 的 “读”“写” 由主机(Host)发送的指令触发,具体场景取决于主机对数据的需求:

1. 触发 “读取(Read)” 的场景

当主机需要调用 SD NAND 中已存储的数据时,会发送 “读取指令”,例如:

  • 嵌入式设备(如轨道交通的监控终端)启动时,读取固件程序、配置参数;

  • 传感器采集数据后,主机读取历史记录(如温度日志);

  • 系统运行中调用缓存数据(如临时计算结果)。

简单说:“主机需要获取 SD NAND 中已有的数据” 时,触发读取操作

2. 触发 “写入(Write)” 的场景

当主机需要将新数据保存到 SD NAND 中时,会发送 “写入指令”,例如:

  • 传感器实时采集的数据(如列车振动数据、位置信息)需要长期存储;

  • 系统运行中生成的临时文件(如日志、故障代码);

  • 固件升级时,向 SD NAND 写入新的程序包。

简单说:“主机需要将新数据保存到 SD NAND 中” 时,触发写入操作

二、SD NAND 的工作原理:从 “物理结构” 到 “读写流程”

SD NAND 的核心是NAND 闪存芯片(存储数据)和控制器(管理读写、坏块、磨损均衡等),其工作原理依赖于 “浮栅晶体管” 的电荷存储特性,以及 “页 / 块” 的分层寻址结构。

1. 底层物理基础:浮栅晶体管如何存数据?

NAND 闪存的最小存储单元是 “浮栅晶体管”,其核心是一个 “浮栅”(悬浮在绝缘层中的导电层)和 “控制栅”(用于控制电荷注入 / 释放):

  • 当浮栅中 “存储电荷” 时,晶体管的导通状态会改变(阈值电压升高),通过检测这种状态差异,可判断存储的是 “0” 还是 “1”(TLC/MLC/SLC 的差异在于 “电荷量对应的数据位数”,如 SLC 用 “有 / 无电荷” 表示 1bit,TLC 用 “3 种电荷量” 表示 3bit)。

  • 数据的 “读”“写” 本质是对浮栅中 “电荷状态” 的 “检测” 或 “修改”

2. 存储结构:按 “块(Block)- 页(Page)” 寻址

NAND 闪存的存储单元不是零散分布的,而是按 “块(Block)- 页(Page)” 分层组织(类似 “书本 - 书页” 的结构):

  • 页(Page):最小 “写入 / 读取单位”,容量通常为 2KB、4KB、8KB 等(如一个页可存 8KB 数据);

  • 块(Block):由多个页组成(如一个块包含 64 个页),是最小 “擦除单位”(擦除必须整块操作,不能单独擦除某一页)。

SD NAND 的控制器会对这些块和页进行 “逻辑地址(LBA)” 映射(类似硬盘的 “C 盘 / D 盘” 分区,屏蔽物理地址的复杂性),主机只需通过逻辑地址调用数据,无需关心具体物理位置。

3. 读取(Read)的具体流程

当主机发送 “读取指令 + 目标逻辑地址” 后,SD NAND 的控制器执行以下步骤:

  1. 地址转换:控制器将逻辑地址映射到实际的物理地址(即 “某块中的某页”);

  2. 电荷检测:向目标页的控制栅施加电压,通过检测晶体管的导通电流(因浮栅电荷不同而变化),判断每个存储单元的电荷状态;

  3. 数据输出:将检测到的电荷状态转换为二进制数据(0/1),通过接口(如 SPI、SDIO)传输给主机。

核心:读取是 “被动检测电荷状态”,不改变浮栅中的电荷,因此读取操作不消耗擦写寿命

4. 写入(Write)的具体流程(含 “擦除的必要性”)

写入是 “主动修改电荷状态”,但受 NAND 闪存的物理特性限制:不能直接覆盖已有数据,必须先擦除 “目标块” 的电荷,再写入新数据。具体流程:

  1. 主机指令:主机发送 “写入指令 + 逻辑地址 + 待写入数据”;

  2. 地址转换与坏块检查:控制器映射物理地址,确认目标块不是 “坏块”(若为坏块,自动切换到备用块);

  3. 擦除(Erase)目标块:若目标块中已有数据(即浮栅中有电荷),控制器向块的控制栅施加高电压,释放浮栅中的电荷(使整个块的所有单元回到 “初始无电荷状态”);

  4. 编程(Program)写入页:向目标页的浮栅注入电荷(通过 “隧道效应”,电子穿过绝缘层进入浮栅),按待写入数据的二进制值,控制每个单元的电荷注入量(如 TLC 需要精确控制 3 种电荷量对应 3bit 数据);

  5. 校验确认:写入后读取一次数据,与主机发送的数据对比,确认无误后完成操作。

核心:写入的前提是 “先擦除块”(因为浮栅中的电荷不能直接 “改写”,只能 “先清空再注入”),因此每一次写入(涉及新块的擦除)都会消耗该块的 P/E 寿命

三、关键:为什么 “写入前必须先擦除”?

这是由 NAND 闪存的物理特性决定的

  • 浮栅晶体管的绝缘层(氧化层)只能通过 “高电压” 释放电荷(擦除),而 “写入” 是向浮栅注入电荷 —— 如果块中已有数据(浮栅有电荷),直接注入电荷会导致 “电荷叠加”,无法准确区分目标数据(比如原数据是 “1”,想改成 “0”,但原电荷未清空,叠加后可能变成混乱状态)。

  • 类比:就像 “黑板写字”,必须先擦干净(擦除),才能写上新内容(写入),不能在已有字迹上直接覆盖(否则字迹模糊)。

四、总结:SD NAND 读写的核心逻辑

操作触发条件核心原理关键限制
读取主机需要调用已存数据检测浮栅电荷状态,转换为二进制数据不改变电荷,不消耗寿命
写入主机需要保存新数据先擦除块(释放电荷),再注入新电荷必须按 “块擦除→页写入” 执行,

SD NAND 的控制器会自动处理 “地址映射、坏块跳过、磨损均衡” 等底层操作,主机只需通过简单指令(如 SPI 协议的 “读命令 0x03”“写命令 0x02”)即可完成交互,无需关心物理层的复杂流程。这种 “集成化设计”(闪存 + 控制器)正是 SD NAND 适合嵌入式场景(如轨道交通、工业控制)的核心优势 —— 小体积、低功耗、易集成,同时保证数据读写的可靠性。

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