SDNAND是怎么读写擦是怎么进行的

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

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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