eMMC简介
内核工匠 2022-09-29

1 eMMC是什么


eMMCembedded MultiMediaCard的简称,即嵌入式多媒体卡, 是一种闪存卡的标准,它定义了基于嵌入式多媒体卡的存储系统的物理架构和访问接口及协议,具体由电子设备工程联合委员会JEDEC订立和发布。 它是对 MMC的一个拓展,具有体积小,功耗低,容量大等优点,非常适合用作智能手机、平板电脑、移动互联网设备等消费类电子设备的存储介质。

2 eMMC的构成


eMMC是一种嵌入式、非易失的存储系统,它主要由闪存、闪存控制器和eMMC协议接口等组成,以BGA的形式封装在一起。 eMMC的构成如下图所示:


1 eMMC 系统结构图


2.1 闪存


闪存是一种非易失性存储器,通常用来存放数据,应用和系统程序等。 eMMC内部的闪存一般都属于Nand Flash

2.2 闪存控制器


闪存控制器主要用来对内部的Nand Flash进行操作和管理。 由于Nand Flash自身的物理特性,需要实现坏块管理、磨损均衡、ECC等诸多功能,这些功能就是由FTLFlash Translation Layer)来实现。 eMMC内部集成的闪存控制器则实现了FTL等功能,减少了由于不同型号Nand Flash的各种特性差异,造成的软件开发复杂度; 同时闪存控制器也提供了 CacheMemory arrayinterleave等多种功能,大大提高了Nand Flash读写操作性能。

2.3 eMMC接口


eMMC接口主要实现将eMMC接入到HostMMC总线上,与Host进行通信,实现eMMC的协议逻辑。
eMMC接口与Host之间的连接如下图:
图2 eMMC 接口图
接口中各信号线的作用如下:
CLK: 时钟信号,用于HostDevice间的同步。
Data Strobe 数据锁存信号, Device端的输出信号,用于HS400模式下,频率与CLK相同,主要用于同步从Device端输出的数据。
CMD: 用于传输从Host端发出的commandDevice端发出的response
DATA0 ~ DATA7: 用于在HostDevice间传输数据。
Reset 复位信号线,主要用于 HostDevice进行复位操作。

3 eMMC的工作模式


eMMC共有5种不同的工作模式,具体如下表:


表1 eMMC工作模式 



4 eMMC的内部寄存器


eMMC内部有6个不同的寄存器,主要用来存放eMMC的相关配置和状态或设定eMMC的工作时的配置参数,方便Host查询和操作eMMC


内部寄存器的具体内容如下表:


表2 eMMC内部寄存器




4.1 设备识别寄存器


这是128bits的寄存器,里面存放单个设备独一无二的信息,它符合eMMC协议,当设备处于识别状态的时候,信息能够被主机访问。 具体信息见下表:
表3 设备识别寄存器  

4.2 相对设备地址寄存器


这是16bits的寄存器,一旦设备被识别,设备会被主机指定相对的地址,它存在其中。 当传输数据的时候,主机利用这些信息选择设备,规定这个寄存器默认的值为 0X0001 如果地址变成 0X0000,那么只有发送CMD7指令才可让设备处于Stand-by State才可用。

4.3 驱动等级寄存器


这是16bits的寄存器,它规定设备的等级,设备能通过主机进行设置来增强设备的性能,例如总线的长度、传输的速率等参数。 在设备具体数据寄存器中包括了这个寄存器使用方式的内容。这个寄存器的默认值是 0x404  

4.4 设备具体数据寄存器


这是128bits的寄存器,它提供了主控如何去访问设备的信息。 它规定了数据格式、错误类型、最大数据访问时间、数据传输速率、 DSR寄存器是否可用等。 其具体内容如下表:
表4 设备具体数据寄存器  

4.5 操作条件寄存器


这是32bits的寄存器,此寄存器包含 eMMC Device 支持的电压模式、数据寻址模式(按 Byte 寻址 or Sector 寻址)以及 Busy 标志位。
表5 操作条件寄存器

4.6 扩展设备具体数据寄存器

这是4096bits的寄存器,规定了设备的属性和选择的模式。 其中的最高的 320Bytes是属性块,提供了设备的能力信息,这些属性是只读的,不能被改写。 最低的 192Bytes是模式块,定义了设备工作时的配置信息。 这些配置信息可以通过命令改写。

5 eMMC与其他存储器件的对比


5.1 eMMC VS Nand Flash


如前所述,eMMC是将Nand FlashFlash ControllereMMC接口等封装在一起的小型的存储系统,这样做的好处是:
1.简化系统存储设计,降低开发复杂度。 生产 Nand Flash的厂商众多,有samsunghynixmicron等许多厂商,每家生产的产品的技术特性都稍有差异,需要针对这些特性做兼容开发,开发非常复杂; eMMC则规定了统一的协议接口,我们只需要根据协议做开发,就能兼容各个厂商的eMMC产品,开发过程大大简化。
2.更新速度快。 随着 Nand Flash制程工艺的不断升级,主控的Flash ControllerFTL也需要不停的更新,才能支持新的Nand Flash eMMCFlash ControllerNand Flash封装在了一起,屏蔽了由于Nand Flash制程工艺而带来的差异,主控的controllerdriver不需要做过多修改就能支持。
3.读写性能更好。 eMMCNand Flash的基础上,加入了CacheMemory array等技术,大大提高了读写速度。

图3 Nand Flash VS eMMC

5.2 eMMC VS MMC


如前所述,eMMCembedded MMC,就是从MMC拓展而来,做了小型化处理,方便嵌入到板上,且速度方面做了提升,从0 ~ 52MHz提升到了0 ~ 200MHz  

5.3 eMMC VS UFS


eMMC 一样,UFS也是一种将Nand FlashFlash controller即协议接口封装在一起的存储系统。 但是两者还是有很大的区别。
1.协议接口不一样。 eMMC使用的是8bit的并行接口,而UFS使用的是串行接口。 eMMC和主控之间只能进行半双工通信,而UFS与主控之间可以看下全双工通信。
2.UFS的读写性能比eMMC高很多。 如前所述,由于 eMMC使用的是并行接口,这就限制了它的最高工作频率,目前eMMC能支持的最高工作频率是200MHz,及它的最大传输带宽为400MB/s UFS使用的是串行接口,则可以突破这个限制,且能进行全双工通信,大幅提高了读写性能。 以下就是 eMMCUFS的读写性能的对比图。  
图4 eMMC/UFS性能对比图
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