Storage-6---eMMC基礎(chǔ)

引言：eMMC是一種使用非常廣泛的存儲器件，從消費(fèi)電子，工業(yè)領(lǐng)域，到車規(guī)等級，以其性能優(yōu)良，高可靠性，調(diào)試便捷等等特點(diǎn)，成為芯片最小系統(tǒng)構(gòu)建不可或缺的一員，本節(jié)介紹eMMC的相關(guān)基礎(chǔ)知識。

1.eMMC的結(jié)構(gòu)和接口

最新的eMMC產(chǎn)品遵循JEDEC eMMC 5.1標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了eMMC的通信信號、命令、內(nèi)部寄存器、特性，并為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供指導(dǎo)。它是工業(yè)應(yīng)用和汽車應(yīng)用的嵌入式存儲解決方案的理想選擇，這些應(yīng)用需要在廣泛的工作溫度范圍內(nèi)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(tǒng)的不同以及速率差異，將eMMC獨(dú)立出來，其容量可以覆蓋到很大的區(qū)間，從1GB到256GB甚至更高，采用8位并行數(shù)據(jù)接口。

eMMC是一個(gè)以BGA軟件包形式設(shè)計(jì)的嵌入式MMC解決方案，eMMC操作與MMC設(shè)備相同，因此是使用MMC協(xié)議v5.1一個(gè)簡單的讀寫內(nèi)存，eMMC將TLC模式Nand和eMMC控制器封裝在內(nèi)部，作為一個(gè)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)封裝，為主機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)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(yōu)化和讀取感應(yīng)、CMD/區(qū)塊管理。

圖6-1：eMMC結(jié)構(gòu)

從圖6-1可以看到，整個(gè)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(shè)備初始化和命令傳輸?shù)碾p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(jī)控制器發(fā)送到eMMC設(shè)備，響應(yīng)從設(shè)備發(fā)送到主機(jī)。

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

DAT信號在推拉模式下工作，eMMC設(shè)備包括數(shù)據(jù)線DAT1-DAT7的內(nèi)部上拉。-進(jìn)入4位模式后，設(shè)備立即斷開線路DAT1、DAT2和DAT3的內(nèi)部上拉。 進(jìn)入8位模式后，設(shè)備立即斷開線路DAT1-DAT7的內(nèi)部上拉。

數(shù)據(jù)選通：該輸出信號由設(shè)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(jī)同步數(shù)據(jù)。對于數(shù)據(jù)輸出，該信號的每個(gè)周期指示數(shù)據(jù)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(tài)響應(yīng)輸出和CMD響應(yīng)輸出（僅在HS400增強(qiáng)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(qū)模式（LBA=512B）

CSD（卡專用數(shù)據(jù)寄存器）：卡操作條件（數(shù)據(jù)傳輸速度、數(shù)據(jù)格式、糾錯(cuò)類型）

CID（卡識別寄存器）：設(shè)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(jī)分配的設(shè)備系統(tǒng)地址

DSR（驅(qū)動級寄存器）：可選用于提高總線性能并配置設(shè)備的輸出驅(qū)動程序

ECSD（擴(kuò)展芯片特定數(shù)據(jù)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(qū)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(shí)電源電壓必須單調(diào)上升，無下降，斷電時(shí)電源電壓必須單調(diào)下降，無顛簸內(nèi)部電壓檢測器在VCC和VCCQ下降時(shí)保證EMMC各項(xiàng)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(gè)工作電壓范圍內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前，主機(jī)不得發(fā)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(nèi)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(nèi)部控制器將主機(jī)訪問重定向至NAND物理塊。

圖6-5：eMMC的內(nèi)部Nand布局

系統(tǒng)區(qū)：FW代碼和配置、壞塊表、壞塊空閑區(qū)、系統(tǒng)塊（設(shè)置和指針）

用戶區(qū)/常規(guī)分區(qū)：常規(guī)用戶區(qū)，可用于所有常規(guī)用戶GPP- 增強(qiáng)型分區(qū)：可用于增強(qiáng)型用戶區(qū)、2個(gè)引導(dǎo)分區(qū)、RPMB分區(qū)，所有增強(qiáng)型GPP。

預(yù)留空間：預(yù)留空間（OP）是指閃存實(shí)際容量與用戶可用容量之間的差值。預(yù)留空間=（實(shí)際容量－ 用戶可用容量）/用戶可用容量，設(shè)備用戶可用容量= SEC_COUNT x 512B，SEC_COUNT 指主機(jī)可尋址的最大扇區(qū)數(shù)。設(shè)備的可尋址扇區(qū)范圍為扇區(qū)0到扇區(qū)(SEC_COUNT-1)。

注意：由主機(jī)執(zhí)行分區(qū)配置時(shí)，設(shè)備將重新計(jì)算SEC_COUNT值，可用于表示分區(qū)后用戶數(shù)據(jù)區(qū)的大小。

圖6-6：eMMC的容量預(yù)留比例

在垃圾回收、損耗均衡和壞塊映射操作中，額外預(yù)留空間由FW分配。

4.eMMC分區(qū)

eMMC最初由兩個(gè)引導(dǎo)分區(qū)、RPMB分區(qū)和用戶數(shù)據(jù)區(qū)組成，用戶數(shù)據(jù)區(qū)可分為四個(gè)通用區(qū)域分區(qū)和用戶數(shù)據(jù)區(qū)分區(qū)，每個(gè)通用區(qū)域分區(qū)和用戶數(shù)據(jù)區(qū)域分區(qū)的一部分都可以配置為增強(qiáng)分區(qū)。

增強(qiáng)分區(qū)（區(qū)域）：eMMC采用增強(qiáng)型用戶數(shù)據(jù)區(qū)作為SLC模式，因此，當(dāng)主服務(wù)器在用戶數(shù)據(jù)區(qū)域中采用某些部分作為增強(qiáng)的用戶數(shù)據(jù)區(qū)域時(shí)，該區(qū)域占用的大小是原始設(shè)置大小的兩倍。(例如，如果主設(shè)置1MB為增強(qiáng)模式，則總共需要2MB用戶數(shù)據(jù)區(qū)域才能生成1MB增強(qiáng)區(qū)域)

圖6-7：eMMC的分區(qū)示意圖

青色--->增強(qiáng)型存儲介質(zhì)：SLC Nand；粉色--->默認(rèn)存儲介質(zhì)：MLC/TLC Nand，JEDEC規(guī)范允許供應(yīng)商實(shí)施具有增強(qiáng)技術(shù)特性的分區(qū)，區(qū)別于默認(rèn)存儲介質(zhì)，增強(qiáng)技術(shù)特性擁有更高的可靠性和更高的讀寫次數(shù)。