Storage-6---eMMC基礎

引言：eMMC是一種使用非常廣泛的存儲器件，從消費電子，工業領域，到車規等級，以其性能優良，高可靠性，調試便捷等等特點，成為芯片最小系統構建不可或缺的一員，本節介紹eMMC的相關基礎知識。

1.eMMC的結構和接口

最新的eMMC產品遵循JEDEC eMMC 5.1標準，該標準定義了eMMC的通信信號、命令、內部寄存器、特性，并為系統設計人員提供指導。它是工業應用和汽車應用的嵌入式存儲解決方案的理想選擇，這些應用需要在廣泛的工作溫度范圍內具有高性能。eMMC也是Nand Flash的一種，屬于并行類別，由于控制系統的不同以及速率差異，將eMMC獨立出來，其容量可以覆蓋到很大的區間，從1GB到256GB甚至更高，采用8位并行數據接口。

eMMC是一個以BGA軟件包形式設計的嵌入式MMC解決方案，eMMC操作與MMC設備相同，因此是使用MMC協議v5.1一個簡單的讀寫內存，eMMC將TLC模式Nand和eMMC控制器封裝在內部，作為一個JEDEC標準封裝，為主機提供標準接口。eMMC控制器（三星稱為FTL：過渡層）直接管理Nand Flash，包括ECC、損耗均衡、IOPS優化和讀取感應、CMD/區塊管理。

圖6-1：eMMC結構

從圖6-1可以看到，整個eMMC包括控制器，Nand管理程序，Nand接口和Nand閃存單元。VDD（VCCQ）用于控制器電源（接口電源），VDDF（VCC）用于閃存電源。

圖6-2：eMMC的接口和寄存器定義

接口定義

CLK：0-200MHz

CMD：用于設備初始化和命令傳輸的雙向通道， CMD信號有2種工作模式：

1#：漏極開路--->用于初始化模式

2#：推拉--->用于快速命令傳輸

其中命令從eMMC主機控制器發送到eMMC設備，響應從設備發送到主機。

DAT [7:0]：雙向數據信號，模式包括1（DAT0）、4（DAT0-DAT3）或8（DAT0-DAT7）。默認情況下，通電或重置后，只有DAT0用于數據傳輸。

DAT信號在推拉模式下工作，eMMC設備包括數據線DAT1-DAT7的內部上拉。-進入4位模式后，設備立即斷開線路DAT1、DAT2和DAT3的內部上拉。 進入8位模式后，設備立即斷開線路DAT1-DAT7的內部上拉。

數據選通：該輸出信號由設備生成，信號的頻率遵循CLK的頻率，用于在HS400模式下讀取期間與主機同步數據。對于數據輸出，該信號的每個周期指示數據上的兩位傳輸（2x）-一位用于上升沿，另一位用于下降沿，對于CRC狀態響應輸出和CMD響應輸出（僅在HS400增強選通模式啟用）。

寄存器定義

OCR（操作條件寄存器）：初始化期間 VDD電壓分布和訪問模式指示 - 雙電壓（3.3V、1.8V） - 扇區模式（LBA=512B）

CSD（卡專用數據寄存器）：卡操作條件（數據傳輸速度、數據格式、糾錯類型）

CID（卡識別寄存器）：設備識別號（名稱、制造商、序列號）

RCA（卡相對地址寄存器）：初始化期間主機分配的設備系統地址

DSR（驅動級寄存器）：可選用于提高總線性能并配置設備的輸出驅動程序

ECSD（擴展芯片特定數據寄存器）：卡功能和所選模式

2.eMMC的電源

圖6-3是eMMC的電源配置，Nand區域（VDDF或VCC）需要3V電壓，而MMC控制器支持1.8V或3V雙電壓（VDD或VCCQ）。

圖6-3：eMMC的電源配置

通電時電源電壓必須單調上升，無下降，斷電時電源電壓必須單調下降，無顛簸內部電壓檢測器在VCC和VCCQ下降時保證EMMC各項功能正常，其中VCC=2.7V-3.6V；VCCQ=1.70V-1.95V或者2.7V-3.6V，VCC和VCCQ在每個工作電壓范圍內達到穩定狀態之前，主機不得發出任何命令。

圖6-4：eMMC理想上下電

如果VCC低于重置閾值，比如2.43V，VCCQ低于重置閾值，比如1.43V，內部WP線就會拉低以禁用閃存陣列編程/擦除操作。

3.Nand布局

內部控制器將主機訪問重定向至NAND物理塊。

圖6-5：eMMC的內部Nand布局

系統區：FW代碼和配置、壞塊表、壞塊空閑區、系統塊（設置和指針）

用戶區/常規分區：常規用戶區，可用于所有常規用戶GPP- 增強型分區：可用于增強型用戶區、2個引導分區、RPMB分區，所有增強型GPP。

預留空間：預留空間（OP）是指閃存實際容量與用戶可用容量之間的差值。預留空間=（實際容量－ 用戶可用容量）/用戶可用容量，設備用戶可用容量= SEC_COUNT x 512B，SEC_COUNT 指主機可尋址的最大扇區數。設備的可尋址扇區范圍為扇區0到扇區(SEC_COUNT-1)。

注意：由主機執行分區配置時，設備將重新計算SEC_COUNT值，可用于表示分區后用戶數據區的大小。

圖6-6：eMMC的容量預留比例

在垃圾回收、損耗均衡和壞塊映射操作中，額外預留空間由FW分配。

4.eMMC分區

eMMC最初由兩個引導分區、RPMB分區和用戶數據區組成，用戶數據區可分為四個通用區域分區和用戶數據區分區，每個通用區域分區和用戶數據區域分區的一部分都可以配置為增強分區。

增強分區（區域）：eMMC采用增強型用戶數據區作為SLC模式，因此，當主服務器在用戶數據區域中采用某些部分作為增強的用戶數據區域時，該區域占用的大小是原始設置大小的兩倍。(例如，如果主設置1MB為增強模式，則總共需要2MB用戶數據區域才能生成1MB增強區域)

圖6-7：eMMC的分區示意圖

青色--->增強型存儲介質：SLC Nand；粉色--->默認存儲介質：MLC/TLC Nand，JEDEC規范允許供應商實施具有增強技術特性的分區，區別于默認存儲介質，增強技術特性擁有更高的可靠性和更高的讀寫次數。