eMMC之分區管理、總線協定和工作模式【轉】

本文轉載自：https://blog.csdn.net/u013686019/article/details/66472291

一、eMMC 簡介

eMMC 是 embedded MultiMediaCard 的簡稱。MultiMediaCard，即MMC， 是一種閃存卡（Flash Memory Card）标準，它定義了 MMC 的架構以及通路　Flash Memory 的接口和協定。而eMMC 則是對 MMC 的一個拓展，以滿足更高标準的性能、成本、體積、穩定、易用等的需求。

eMMC 的整體架構如下圖檔所示：

圖檔： eMMC 整體架構

eMMC 内部主要可以分為 Flash Memory、Flash Controller 以及Host Interface 三大部分。

1、Flash Memory

Flash Memory 是一種非易失性的存儲器，通常在嵌入式系統中用于存放系統、應用和資料等，類似于 PC 系統中的硬碟。

目前，絕大部分手機和平闆等移動裝置中所使用的 eMMC 内部的 Flash Memory 都屬于 NAND Flash，關于 NAND Flash 的更多細節可以參考 Flash Memory 章節。

eMMC 在内部對 Flash Memory 劃分了幾個主要區域，如下圖所示：

圖檔：eMMC 内部分區

1.1 BOOT Area Partition 1 & 2

此分區主要是為了支援從 eMMC 啟動系統而設計的。

該分區的資料，在 eMMC 上電後，可以通過很簡單的協定就可以讀取出來。同時，大部分的 SOC 都可以通過 GPIO 或者 FUSE 的配置，讓 ROM 代碼在上電後，将 eMMC BOOT 分區的内容加載到 SOC 内部的 SRAM 中執行。

1.2 RPMB Partition

RPMB 是 Replay Protected Memory Block的簡稱，它通過 HMAC SHA-256 和 Write Counter 來保證儲存在 RPMB 内部的資料不被非法篡改。

在實際應用中，RPMB 分區通常用來儲存安全相關的資料，例如指紋資料、安全支付相關的密鑰等。

1.3 General Purpose Partition 1～4

此區域則主要用于存儲系統或者使用者資料。 General Purpose Partition 在晶片出廠時，通常是不存在的，需要主動進行配置後，才會存在。

1.4 User Data Area

此區域則主要用于存儲系統和使用者資料。

User Data Area 通常會進行再分區，例如 Android 系統中，通常在此區域分出 boot、system、userdata 等分區。

更多 eMMC 分區相關的細節，請參考 eMMC 分區管理 章節。

2、Flash Controller

NAND Flash 直接接入 Host 時，Host 端通常需要有 NAND Flash Translation Layer，即 NFTL 或者 NAND Flash 檔案系統來做壞塊管理、ECC等的功能。

eMMC 則在其内部內建了 Flash Controller，用于完成擦寫均衡、壞塊管理、ECC校驗等功能。相比于直接将 NAND Flash 接入到 Host 端，eMMC 屏蔽了 NAND Flash 的實體特性，可以減少 Host 端軟體的複雜度，讓 Host 端專注于上層業務，省去對 NAND Flash 進行特殊的處理。同時，eMMC 通過使用 Cache、Memory Array 等技術，在讀寫性能上也比 NAND Flash 要好很多。

圖檔：NAND Flash 與 eMMC

3、Host Interface

eMMC 與 Host 之間的連接配接如下圖所示：

圖檔：eMMC Interface

各個信号的用途如下所示：

CLK

用于同步的時鐘信号

Data Strobe

此信号是從 Device 端輸出的時鐘信号，頻率和 CLK 信号相同，用于同步從 Device 端輸出的資料。該信号在 eMMC 5.0 中引入。

CMD

此信号用于發送 Host 的 command 和 Device 的 response。

DAT0-7

用于傳輸資料的 8 bit 總線。

Host 與 eMMC 之間的通信都是 Host 以一個 Command 開始發起的。針對不同的 Command，Device 會做出不同的響應。詳細的通信協定相關内容，請參考eMMC 總線協定 章節。

原文：eMMC 簡介

二、eMMC 分區管理

1、Partitions Overview

eMMC 标準中，将内部的 Flash Memory 劃分為 4 類區域，最多可以支援 8 個硬體分區，分區圖見上節圖檔eMMC 内部分區。

1.1 概述

一般情況下，Boot Area Partitions 和 RPMB Partition 的容量大小通常都為 4MB，部分晶片廠家也會提供配置的機會。General Purpose Partitions (GPP) 則在出廠時預設不被支援，即不存在這些分區，需要使用者主動使能，并配置其所要使用的 GPP 的容量大小，GPP 的數量可以為 1 - 4 個，各個 GPP 的容量大小可以不一樣。User Data Area (UDA) 的容量大小則為總容量大小減去其他分區所占用的容量。更多各個分區的細節将在後續小節中描述。

1.2 分區編址

eMMC 的每一個硬體分區的存儲空間都是獨立編址的，即通路位址為 0 - partition size。具體的資料讀寫操作實際通路哪一個硬體分區，是由 eMMC 的 Extended CSD register 的 PARTITION_CONFIG Field 中 的 Bit[2:0]: PARTITION_ACCESS 決定的，使用者可以通過配置 PARTITION_ACCESS 來切換硬體分區的通路。也就是說，使用者在通路特定的分區前，需要先發送指令，配置 PARTITION_ACCESS，然後再發送相關的資料通路請求。更多資料讀寫相關的細節，請參考 eMMC 總線協定 章節。

eMMC 的各個硬體分區有其自身的功能特性，多分區的設計，為不同的應用場景提供了便利。

2、Boot Area Partitions

Boot Area 包含兩個 Boot Area Partitions，主要用于存儲 Bootloader，支援 SOC 從 eMMC 啟動系統。

2.1 容量大小

兩個 Boot Area Partitions 的大小是完全一緻的，由 Extended CSD register 的 BOOT_SIZE_MULT Field 決定，大小的計算公式如下：

Size = 128Kbytes x BOOT_SIZE_MULT

一般情況下，Boot Area Partition 的大小都為 4 MB，即 BOOT_SIZE_MULT 為 32，部分晶片廠家會提供改寫 BOOT_SIZE_MULT 的功能來改變 Boot Area Partition 的容量大小。BOOT_SIZE_MULT 最大可以為 255，即 Boot Area Partition 的最大容量大小可以為 255 x 128 KB = 32640 KB = 31.875 MB。

2.2 從 Boot Area 啟動

eMMC 中定義了 Boot State，在 Power-up、HW reset 或者 SW reset 後，如果滿足一定的條件，eMMC 就會進入該 State。進入 Boot State 的條件如下：

Original Boot Operation

CMD 信号保持低電平不少于 74 個時鐘周期，會觸發 Original Boot Operation，進入 Boot State。

Alternative Boot Operation

在 74 個時鐘周期後，在 CMD 信号首次拉低或者 Host 發送 CMD1 之前，Host 發送參數為 0xFFFFFFFA 的 COM0時，會觸發 Alternative Boot Operation，進入 Boot State。

在 Boot State 下，如果有配置 BOOT_ACK，eMMC 會先發送 “010” 的 ACK 包，接着 eMMC 會将最大為 128Kbytes x BOOT_SIZE_MULT 的 Boot Data 發送給 Host。傳輸過程中，Host 可以通過拉高 CMD 信号 (Original Boot 中)，或者發送 Reset 指令 (Alternative Boot 中) 來中斷 eMMC 的資料發送，完成 Boot Data 傳輸。

Boot Data 根據 Extended CSD register 的 PARTITION_CONFIG Field 的 Bit[5:3]:BOOT_PARTITION_ENABLE 的設定，可以從 Boot Area Partition 1、Boot Area Partition 2 或者 User Data Area 讀出。

Boot Data 存儲在 Boot Area 比在 User Data Area 中要更加的安全，可以減少意外修改導緻系統無法啟動，同時無法更新系統的情況出現。           

（更多 Boot State 的細節，請參考 eMMC 工作模式 的 Boot Mode 章節）

2.3 寫保護

通過設定 Extended CSD register 的 BOOT_WP Field，可以為兩個 Boot Area Partition 獨立配置寫保護功能,以防止資料被意外改寫或者擦出。

eMMC 中定義了兩種 Boot Area 的寫保護模式：

Power-on write protection

使能後，如果 eMMC 掉電，寫保護功能失效，需要每次 Power on 後進行配置。

Permanent write protection

使能後，即使掉電也不會失效，主動進行關閉才會失效。

3、RPMB Partition

RPMB（Replay Protected Memory Block）Partition 是 eMMC 中的一個具有安全特性的分區。

eMMC 在寫入資料到 RPMB 時，會校驗資料的合法性，隻有指定的 Host 才能夠寫入，同時在讀資料時，也提供了簽名機制，保證 Host 讀取到的資料是 RPMB 内部資料，而不是攻擊者僞造的資料。

RPMB 在實際應用中，通常用于存儲一些有防止非法篡改需求的資料，例如手機上指紋支付相關的公鑰、序列号等。RPMB 可以對寫入操作進行鑒權，但是讀取并不需要鑒權，任何人都可以進行讀取的操作，是以存儲到 RPMB 的資料通常會進行加密後再存儲。

3.1 容量大小

RPMB Partition 的大小是由 Extended CSD register 的 BOOT_SIZE_MULT Field 決定，大小的計算公式如下：

Size = 128Kbytes x BOOT_SIZE_MULT

一般情況下，Boot Area Partition （筆誤？RPMB Partition）的大小為 4 MB，即 RPMB_SIZE_MULT 為 32，部分晶片廠家會提供改寫 RPMB_SIZE_MULT 的功能來改變 RPMB Partition 的容量大小。RPMB_SIZE_MULT 最大可以為 128，即 Boot Area Partition（筆誤？RPMB Partition） 的最大容量大小可以為 128 x 128 KB = 16384 KB = 16 MB。

3.2 Replay Protect 原理

使用 eMMC 的産品，在産線生産時，會為每一個産品生産一個唯一的 256 bits 的 Secure Key，燒寫到 eMMC 的 OTP 區域（隻能燒寫一次的區域），同時 Host 在安全區域中（例如：TEE）也會保留該 Secure Key。

在 eMMC 内部，還有一個RPMB Write Counter。RPMB 每進行一次合法的寫入操作時，Write Counter 就會自動加一 。

通過 Secure Key 和 Write Counter 的應用，RMPB 可以實作資料讀取和寫入的 Replay Protect。

3.3 RPMB 資料讀取

RPMB 資料讀取的流程如下：

a.Host 向 eMMC 發起讀 RPMB 的請求，同時生成一個 16 bytes 的随機數，發送給 eMMC。

b.eMMC 将請求的資料從 RPMB 中讀出，并使用 Secure Key 通過 HMAC SHA-256 算法，計算讀取到的資料和接收到的随機數拼接到一起後的簽名。然後，eMMC 将讀取到的資料、接收到的随機數、計算得到的簽名一并發送給 Host。

c.Host 接收到 RPMB 的資料、随機數以及簽名後，首先比較随機數是否與自己發送的一緻，如果一緻，再用同樣的 Secure Key 通過 HMAC SHA-256 算法對資料和随機數組合到一起進行簽名，如果簽名與 eMMC 發送的簽名是一緻的，那麼就可以确定該資料是從 RPMB 中讀取到的正确資料，而不是攻擊者僞造的資料。

通過上述的讀取流程，可以保證 Host 正确的讀取到 RPMB 的資料。

3.4 RPMB 資料寫入

RPMB 資料寫入的流程如下：

a.Host 按照上面的讀資料流程，讀取 RPMB 的 Write Counter。

b.Host 将需要寫入的資料和 Write Counter 拼接到一起并計算簽名，然後将資料、Write Counter 以及簽名一并發給 eMMC。

c.eMMC 接收到資料後，先對比 Write Counter 是否與目前的值相同，如果相同那麼再對資料和 Write Counter 的組合進行簽名，然後和 Host 發送過來的簽名進行比較，如果簽名相同則鑒權通過，将資料寫入到 RPMB 中。

通過上述的寫入流程，可以保證 RPMB 不會被非法篡改。

更多 RPMB 相關的細節，可以參考 eMMC RPMB 章節。

4、General Purpose Partitions

eMMC 提供了 General Purpose Partitions (GPP)，主要用于存儲系統和應用資料。在很多使用 eMMC 的産品中，GPP 都沒有被啟用，因為它在功能上與 UDA 類似，産品上直接使用 UDA 就可以滿足需求。

4.1 容量大小

eMMC 最多可以支援 4 個 GPPs，每一個 GPP 的大小可以單獨配置。使用者可以通過設定 Extended CSD register 的以下三個 Field 來設 GPPx (x=1~4) 的容量大小：

• GP_SIZE_MULT_x_2

• GP_SIZE_MULT_x_1

• GP_SIZE_MULT_x_0

GPPx 的容量計算公式如下：

1. Size = (GP_SIZE_MULT_x_2 * 2^16 + GP_SIZE_MULT_x_1 * 2^8 + GP_SIZE_MULT_x_0 * 2^0) * (Write protect group size)
2. Write protect group size = 512KB * HC_ERASE_GRP_SIZE * HC_WP_GRP_SIZE

注：

• eMMC 中，擦除和寫保護都是按塊進行的，上述表達式中的 HC_WP_GRP_SIZE 為寫保護的操作塊大小，HC_ERASE_GRP_SIZE 則為擦除操作的快的大小。

• eMMC 晶片的 GPP 的配置通常是隻能進行一次 (OTP)，一般會在産品量産階段，在産線上進行。

分區屬性

eMMC 标準中，為 GPP 定義了兩類屬性，Enhanced attribute 和 Extended attribute。每個 GPP 可以設定兩類屬性中的一種屬性，不可以同時設定多個屬性。

Enhanced attribute

• Default, 未設定 Enhanced attribute。

• Enhanced storage media， 設定 GPP 為 Enhanced storage media。

在 eMMC 标準中，實際上并未定義設定 Enhanced attribute 後對 eMMC 的影響。Enhanced attribute 的具體作用，由晶片制造商定義。

在實際的産品中，設定 Enhanced storage media 後，一般是把該分區的存儲媒體從 MLC 改變為 SLC，提高該分區的讀寫性能、壽命以及穩定性。由于 1 個存儲單元下，MLC 的容量是 SLC 的兩倍，是以在總的存儲單元數量一定的情況下，如果把原本為 MLC 的分區改變為 SLC，會減少 eMMC 的容量，就是說，此時 eMMC 的實際總容量比标稱的總容量會小一點。（MLC 和 SLC 的細節可以參考 Flash Memory 章節内容）

Extended attribute

• Default, 未設定 Extended attribute。

• System code， 設定 GPP 為 System code 屬性，該屬性主要用在存放作業系統類的、很少進行擦寫更新的分區。

• Non-Persistent，設定 GPP 為 Non-Persistent 屬性，該屬性主要用于存儲臨時資料的分區，例如 tmp 目錄所在分區、 swap 分區等。

在 eMMC 标準中，同樣也沒有定義設定 Extended attribute 後對 eMMC 的影響。Extended attribute 的具體作用，由晶片制造商定義。Extended attribute 主要是跟分區的應用場景有關，廠商可以為不用應用場景的分區做不同的優化處理。

5、User Data Area

User Data Area (UDA) 通常是 eMMC 中最大的一個分區，是實際産品中，最主要的存儲區域。

5.1 容量大小

UDA 的容量大小不需要設定，在配置完其他分區大小後，再扣除設定 Enhanced attribute 所損耗的容量，剩下的容量就是 UDA 的容量。

5.2 軟體分區

為了更合理的管理資料，滿足不同的應用需求，UDA 在實際産品中，會進行軟體再分區。目前主流的軟體分區技術有 MBR（Master Boot Record）和 GPT（GUID Partition Table）兩種。這兩種分區技術的基本原理類似，如下圖所示：

軟體分區技術一般是将存儲媒體劃分為多個區域，既 SW Partitions，然後通過一個 Partition Table 來維護這些 SW Partitions。在 Partition Table 中，每一個條目都儲存着一個 SW Partition 的起始位址、大小等的屬性資訊。軟體系統在啟動後，會去掃描 Partition Table，擷取存儲媒體上的各個 SW Partitions 資訊，然後根據這些資訊，将各個 Partitions 加載到系統中，進行資料存取。

MBR 和 GPT 此處不展開詳細介紹，更多的細節可以參考 wikipedia 上 MBR 和 GPT 相關介紹。           

5.3 區域屬性

eMMC 标準中，支援為 UDA 中一個特定大小的區域設定 Enhanced attribute。與 GPP 中的 Enhanced attribute 相同，eMMC 标準也沒有定義該區域設定 Enhanced attribute 後對 eMMC 的影響。Enhanced attribute 的具體作用，由晶片制造商定義。

Enhanced attribute

• Default, 未設定 Enhanced attribute。

• Enhanced storage media， 設定該區域為 Enhanced storage media。

在實際的産品中，UDA 區域設定為 Enhanced storage media 後，一般是把該區域的存儲媒體從 MLC 改變為 SLC。通常，産品中可以将某一個 SW Partition 設定為 Enhanced storage media，以獲得更好的性能和健壯性。

6、eMMC 分區應用執行個體

在一個 Android 手機系統中，各個分區的呈現形式如下：

• mmcblk0 為 eMMC 的塊裝置;

• mmcblk0boot0 和 mmcblk0boot1 對應兩個 Boot Area Partitions;

• mmcblk0rpmb 則為 RPMB Partition，

• mmcblk0px 為 UDA 劃分出來的 SW Partitions;

• 如果存在 GPP，名稱則為 mmcblk0gp1、mmcblk0gp2、mmcblk0gp3、mmcblk0gp4;

1. root@xxx:/ # ls /dev/block/mmcblk0*
2. /dev/block/mmcblk0
3. /dev/block/mmcblk0boot0
4. /dev/block/mmcblk0boot1
5. /dev/block/mmcblk0rpmb
6. /dev/block/mmcblk0p1
7. /dev/block/mmcblk0p2
8. /dev/block/mmcblk0p3
9. /dev/block/mmcblk0p4
10. /dev/block/mmcblk0p5
11. /dev/block/mmcblk0p6
12. /dev/block/mmcblk0p7
13. /dev/block/mmcblk0p8
14. /dev/block/mmcblk0p9
15. /dev/block/mmcblk0p10
16. /dev/block/mmcblk0p11
17. /dev/block/mmcblk0p12
18. /dev/block/mmcblk0p13
19. /dev/block/mmcblk0p14
20. /dev/block/mmcblk0p15
21. /dev/block/mmcblk0p16
22. /dev/block/mmcblk0p17
23. /dev/block/mmcblk0p18
24. /dev/block/mmcblk0p19
25. /dev/block/mmcblk0p20

每一個分區會根據實際的功能來設定名稱。

1. root@xxx:/ # ls -l /dev/block/platform/mtk-msdc.0/11230000.msdc0/by-name/
2. lrwxrwxrwx root root 2015-01-03 04:03 boot -> /dev/block/mmcblk0p22
3. lrwxrwxrwx root root 2015-01-03 04:03 cache -> /dev/block/mmcblk0p30
4. lrwxrwxrwx root root 2015-01-03 04:03 custom -> /dev/block/mmcblk0p3
5. lrwxrwxrwx root root 2015-01-03 04:03 devinfo -> /dev/block/mmcblk0p28
6. lrwxrwxrwx root root 2015-01-03 04:03 expdb -> /dev/block/mmcblk0p4
7. lrwxrwxrwx root root 2015-01-03 04:03 flashinfo -> /dev/block/mmcblk0p32
8. lrwxrwxrwx root root 2015-01-03 04:03 frp -> /dev/block/mmcblk0p5
9. lrwxrwxrwx root root 2015-01-03 04:03 keystore -> /dev/block/mmcblk0p27
10. lrwxrwxrwx root root 2015-01-03 04:03 lk -> /dev/block/mmcblk0p20
11. lrwxrwxrwx root root 2015-01-03 04:03 lk2 -> /dev/block/mmcblk0p21
12. lrwxrwxrwx root root 2015-01-03 04:03 logo -> /dev/block/mmcblk0p23
13. lrwxrwxrwx root root 2015-01-03 04:03 md1arm7 -> /dev/block/mmcblk0p17
14. lrwxrwxrwx root root 2015-01-03 04:03 md1dsp -> /dev/block/mmcblk0p16
15. lrwxrwxrwx root root 2015-01-03 04:03 md1img -> /dev/block/mmcblk0p15
16. lrwxrwxrwx root root 2015-01-03 04:03 md3img -> /dev/block/mmcblk0p18
17. lrwxrwxrwx root root 2015-01-03 04:03 metadata -> /dev/block/mmcblk0p8
18. lrwxrwxrwx root root 2015-01-03 04:03 nvdata -> /dev/block/mmcblk0p7
19. lrwxrwxrwx root root 2015-01-03 04:03 nvram -> /dev/block/mmcblk0p19
20. lrwxrwxrwx root root 2015-01-03 04:03 oemkeystore -> /dev/block/mmcblk0p12
21. lrwxrwxrwx root root 2015-01-03 04:03 para -> /dev/block/mmcblk0p2
22. lrwxrwxrwx root root 2015-01-03 04:03 ppl -> /dev/block/mmcblk0p6
23. lrwxrwxrwx root root 2015-01-03 04:03 proinfo -> /dev/block/mmcblk0p13
24. lrwxrwxrwx root root 2015-01-03 04:03 protect1 -> /dev/block/mmcblk0p9
25. lrwxrwxrwx root root 2015-01-03 04:03 protect2 -> /dev/block/mmcblk0p10
26. lrwxrwxrwx root root 2015-01-03 04:03 recovery -> /dev/block/mmcblk0p1

原文：eMMC 分區管理

三、eMMC 總線協定

1、 eMMC 總線接口

eMMC 總線接口定義如下圖所示：

各個信号的描述如下：

• CLK

CLK 信号用于從 Host 端輸出時鐘信号，進行資料傳輸的同步和裝置運作的驅動。

在一個時鐘周期内，CMD 和 DAT0-7 信号上都可以支援傳輸 1 個比特，即SDR (Single Data Rate) 模式。此外，DAT0-7 信号還支援配置為DDR (Double Data Rate) 模式，在一個時鐘周期内，可以傳輸 2 個比特。

Host 可以在通訊過程中動态調整時鐘信号的頻率（注，頻率範圍需要滿足 Spec 的定義）。通過調整時鐘頻率，可以實作省電或者資料流控（避免 Over-run 或者 Under-run）功能。 在一些場景中，Host 端還可以關閉時鐘，例如 eMMC 處于 Busy 狀态時，或者接收完資料，進入 Programming State 時。

• CMD

CMD 信号主要用于 Host 向 eMMC 發送 Command 和 eMMC 向 Host 發送對于的 Response。Command 和 Response 的細節會在後續章節中介紹。

• DAT0-7

DAT0-7 信号主要用于 Host 和 eMMC 之間的資料傳輸。在 eMMC 上電或者軟複位後，隻有 DAT0 可以進行資料傳輸，完成初始化後，可配置 DAT0-3 或者 DAT0-7 進行資料傳輸，即資料總線可以配置為 4 bits 或者 8 bits 模式。

• Data Strobe

Data Strobe 時鐘信号由 eMMC 發送給 Host，頻率與 CLK 信号相同，用于 Host 端進行資料接收的同步。Data Strobe 信号隻能在HS400 模式下配置啟用，啟用後可以提高資料傳輸的穩定性，省去總線 tuning 過程。

更詳細的工作原理請參考 eMMC 工作模式 章節。

2、 eMMC 總線模型

eMMC 總線中一個 Host可以有多個 eMMC Devices。總線上的所有通訊都由 Host 端以一個 Command 開發發起，Host 一次隻能與一個 eMMC Device 通訊。

系統在上電啟動後，Host 會為所有 eMMC Device 逐個配置設定位址（RCA，Relative device Address）。當 Host 需要和某一個 eMMC Device 通訊時，會先根據 RCA 選中該 eMMC Device，隻有被選中的 eMMC Device 才會響應 Host 的 Command。

更詳細的工作原理請參考 eMMC 工作模式 章節。

2.1 速率模式

随着 eMMC 協定的版本疊代，eMMC 總線的速率越來越高。為了相容舊版本的 eMMC Device，所有 Devices 在上電啟動或者 Reset 後，都會先進入相容速率模式（Backward Compatible Mode）。在完成 eMMC Devices 的初始化後，Host 可以通過特定的流程，讓 Device 進入其他高速率模式，目前支援以下的幾種速率模式。

注：

• Extended CSD byte[185] HS_TIMING 寄存器可以配置總線速率模式

• Extended CSD byte[183] BUS_WIDTH 寄存器用于配置總線寬度和 Data Strobe

2.2 通信模型

Host 與 eMMC Device 之間的通信都是由 Host 以一個 Command 開始發起的，eMMC Device 在完成 Command 所指定的任務後，則傳回一個 Response。

• Read Data

Host 從 eMMC Device 讀取資料的流程如上圖所示。

如果 Host 發送的是 Single Block Read 的 Command，那麼 eMMC Device 隻會發送一個 Block 的資料。

如果 Host 在發送 Multiple Block Read 的 Command 前，先發送一個設定需要讀取的 Block Count 的 Command。eMMC Device 在完成指定 Block Count 的資料發送後，就自動結束資料傳輸，不需要 Host 主動發送 Stop Command。

如果 Host 沒有發送設定需要讀取的 Block Count 的 Command，發送 Multiple Block Read 的 Command 後，eMMC Device 會持續發送資料，直到 Host 發送 Stop Command 停止資料傳輸。

注：

從 eMMC Device 讀資料都是按 Block 讀取的。 Block 大小可以由 Host 設定，或者固定為 512 Bytes，不同的速率模式下有所不同。           

• Write Data

Host 向 eMMC Device 寫入資料的流程如上圖所示。

如果 Host 發送的是 Single Block Write Command，那麼 eMMC Device 隻會将後續第一個 Block 的資料寫入的存儲器中。

如果 Host 在發送 Multiple Block Write 的 Command 前，先發送一個設定需要讀取的 Block Count 的 Command。eMMC Device 在接收到指定 Block Count 的資料後，就自動結束資料接收，不需要 Host 主動發送 Stop Command。

如果 Host 沒有發送設定需要讀取的 Block Count 的 Command，發送 Multiple Block Write 的 Command 後，eMMC Device 會持續接收資料，直到 Host 發送 Stop Command 停止資料傳輸。

eMMC Device 在接收到一個 Block 的資料後，會進行 CRC 校驗，然後将校驗結果通過 CRC Token 發送給 Host。

發送完 CRC Token 後，如果 CRC 校驗成功，eMMC Device 會将資料寫入到内部存儲器時，此時 DAT0 信号會拉低，作為 Busy 信号。Host 會持續檢測 DAT0 信号，直到為高電平時，才會接着發送下一個 Block 的資料。如果 CRC 校驗失敗，那麼 eMMC Device 不會進行資料寫入，此次傳輸後續的資料都會被忽略。

注：

向 eMMC Device 寫資料都是按 Block 寫入的。 Block 大小可以由 Host 設定，或者固定為 512 Bytes，不同的速率模式下有所不同。           

• No Data

在 Host 與 eMMC Device 的通信中，有部分互動是不需要進行資料傳輸的，還有部分互動甚至不需要 eMMC Device 的回複 Response。

• Command

如上圖所示，eMMC Command 由 48 Bits 組成，各個 Bits 的解析如下所示：

Start Bit 固定為 "0"，在沒有資料傳輸的情況下，CMD 信号保持高電平，當 Host 将 Start Bit 發送到總線上時，eMMC Device 可以很友善檢測到該信号，并開始接收 Command。

Transmission Bit 固定為 "1"，訓示了該資料包的傳輸方向為 Host 發送到 eMMC Device。

Command Index 和 Argument 為 Command 的具體内容，不同的 Command 有不同的 Index，不同的 Command 也有各自的 Argument。 更多的細節，請參考eMMC Commands 章節。

CRC7 是包含 Start Bit、Transmission Bit、 Command Index 和 Argument 内容的 CRC 校驗值。

End Bit 為結束标志位，固定為"1"。

注：

CRC 校驗簡單來說，是發送方将需要傳輸的資料“除于”（模2除）一個約定的數，并将得到的餘數附在資料上一并發送出去。接收方收到資料後，再做同樣的“除法”，然後校驗得到餘數是否與接收的餘數相同。如果不相同，那麼意味着資料在傳輸過程中發生了改變。更多的細節不在本文展開描述，感興趣的讀者可以參考 CRC wiki 中的介紹。           

• Response

eMMC Response 有兩種長度的資料包，分别為 48 Bits 和 136 Bits。

Start Bit 與 Command 一樣，固定為 "0"，在沒有資料傳輸的情況下，CMD 信号保持高電平，當 eMMC Device 将 Start Bit 發送到總線上時，Host 可以很友善檢測到該信号，并開始接收 Response。

Transmission Bit 固定為 "0"，訓示了該資料包的傳輸方向為 eMMC Device 發送到 Host。

Content 為 Response 的具體内容，不同的 Command 會有不同的 Content。 更多的細節，請參考eMMC Responses 章節。

CRC7 是包含 Start Bit、Transmission Bit 和 Content 内容的 CRC 校驗值。

End Bit 為結束标志位，固定為"1"。

• Data Block

Data Block 由 Start Bit、Data、CRC16 和 End Bit 組成。以下是不同總線寬度和 Data Rate 下，Data Block 詳細格式。

1 Bit Bus SDR

CRC 為 Data 的 16 bit CRC 校驗值，不包含 Start Bit。

4 Bits Bus SDR

各個 Data Line 上的 CRC 為對應 Data Line 的 Data 的 16 bit CRC 校驗值。

8 Bits Bus SDR

各個 Data Line 上的 CRC 為對應 Data Line 的 Data 的16 bit CRC 校驗值。

4 Bits Bus DDR

8 Bits Bus DDR

在 DDR 模式下，Data Line 在時鐘的上升沿和下降沿都會傳輸資料，其中上升沿傳輸資料的奇數位元組 （Byte 1,3,5 ...），下降沿則傳輸資料的偶數位元組（Byte 2,4,6 ...）。

此外，在 DDR 模式下，1 個 Data Line 上有兩個互相交織的 CRC16，上升沿的 CRC 比特組成 odd CRC16，下降沿的 CRC 比特組成 even CRC16。odd CRC16 用于校驗該 Data Line 上所有上升沿比特組成的資料，even CRC16 則用于校驗該 Data Line 上所有下降沿比特組成的資料。

注：

DDR 模式下使用兩個 CRC16 作為校驗，可能是為了更可靠的校驗，選用 CRC16 而非 CRC32 則可能是出于相容性設計的考慮。           

• CRC Status Token

在寫資料傳輸中，eMMC Device 接收到 Host 發送的一個 Data Block 後，會進行 CRC 校驗，如果校驗成功，eMMC 會在對應的 Data Line 上向 Host 發回一個 Positive CRC status token (010)，如果校驗失敗，則會在對應的 Data Line 上發送一個 Negative CRC status token (101)。

讀資料時，Host 接收到 eMMC Device 發送的 Data Block 後，也會進行 CRC 校驗，但是不管校驗成功或者失敗，都不會向 eMMC Device 發送 CRC Status Token。           

Positive CRC status token

Negative CRC status token

3、eMMC 總線測試過程

當 eMMC Device 處于 SDR 模式時，Host 可以發送 CMD19 指令，觸發總線測試過程（Bus testing procedure），測試總線硬體上的連通性。如果 eMMC Device 支援總線測試，那麼 eMMC Device 在接收到 CMD19 後，會發回對應的 Response，接着 eMMC Device 會發送一組固定的測試資料給 Host。Host 接收到資料後，檢查資料正确與否，即可得知總線是否正确連通。

1. 如果 eMMC Device 不支援總線測試，那麼接收到 CMD19 時，不會發回 Response。
2. 總線測試不支援在 DDR 模式下進行。

測試資料如下所示：

總線寬度為 1 時，隻發送 DAT0 上的資料，總線寬度為 4 時，則隻發送 DAT0-3 上的資料           

4、eMMC 總線 Sampling Tuning

由于晶片制造技術、PCB 走線、電壓、溫度等因素的影響，資料信号從 eMMC Device 到達 Host 端的時間是存在差異的，Host 接收資料時采樣的時間點也需要相應的進行調整。而Host 端最佳采樣時間點，則是通過 Sampling Tuning 流程得到。

1. 不同 eMMC Device 最佳的采樣點可能不同，同一 eMMC Device 在不同的環境下運作時的最佳采樣點也可能不同。
2. 在 eMMC 标準中，定義了在 HS200 模式下可以進行 Sampling Tuning。

4.1 Sampling Tuning 流程

Sampling Tuning 是用于計算 Host 最佳采樣時間點的流程，大緻的流程如下：

1. Host 将采樣時間點重置為預設值
2. Host 向 eMMC Device 發送 Send Tuning Block 指令
3. eMMC Device 向 Host 發送固定的 Tuning Block 資料
4. Host 接收到 Tuning Block 并進行校驗
5. Host 修改采樣時點，重新從第 2 步開始執行，直到 Host 擷取到一個有效采樣時間點區間
6. Host 取有效采樣時間點區間的中間值作為采樣時間點，并推出 Tuning 流程

上述流程僅僅是一個示例。Tuning 流程執行的時機、頻率和具體的步驟是由 Host 端的 eMMC Controller 具體實作而定的。           

4.2 Tuning Block 資料

Tuning Block 是專門為了 Tuning 而設計的一組特殊資料。相對于普通的資料，這組特殊資料在傳輸過程中，會更高機率的出現 high SSO noise、deterministic jitter、ISI、timing errors 等問題。這組資料的具體内容如下所示：

總線寬度為 1 時，隻發送 DAT0 上的資料，總線寬度為 4 時，則隻發送 DAT0-3 上的資料           

原文：eMMC 總線協定

四、eMMC 工作模式

1、Overview

eMMC Device 在 Power On、HW Reset 或者 SW Reset 時，Host 可以觸發 eMMC Boot，讓 eMMC 進入Boot Mode。在此模式下，eMMC Device 會将 Boot Data 發送給 Host，這部分内容通常為系統的啟動代碼，如 BootLoader。

如果 Host 沒有觸發 Boot 流程或者 Boot 流程完成後，eMMC Device 會進入Device Identification Mode。在此模式下，eMMC Device 将進行初始化，Host 會為 eMMC Device 設定工作電壓、協商尋址模式以及配置設定 RCA 裝置位址。

Device Identification Mode 結束後，就會進入 Data Transfer Mode。在此模式下，Host 可以發起資料讀寫流程。

進入 Data Transfer Mode 後，Host 可以發起指令，讓 eMMC Device 進入Interrupt Mode。在此模式下，eMMC Device 會等待内部的中斷事件，例如，寫資料完成等。eMMC Device 在收到内部中斷事件時，會向 Host 發送 Response，然後切換到 Data Transfer Mode，等待 Host 後續的資料讀寫指令。

2、 Boot Operation Mode

2.1 Boot From eMMC Device

在 Power On、HW Reset 或者 SW Reset 後，如果 eMMC Device 有使能 Boot Mode（即，寄存器位 BOOT_PARTITION_ENABLE (EXT_CSD byte [179]) 指定了啟動分區），那麼 Host 有兩種方式可以讓 eMMC Device 進入 Boot Mode，分别定義為 Original Boot 和 Alternative Boot，如下：

1. Original Boot：拉低 CMD 信号并保持不少于 74 個時鐘周期
2. Alternative Boot：保持 CMD 信号為高電平，74 個時鐘周期後，發送參數為 0xFFFFFFFA 的 CMD0 指令

進入 Boot Mode 後，eMMC Device 會根據寄存器位 BOOT_PARTITION_ENABLE 的設定，從兩個 Boot partitions 和 UDA 中選擇一個分區讀取大小為 128KB × BOOT_SIZE_MULT (EXT_CSD byte [226]) 的 Boot Data 通過 Data Lines 發送給 Host。

在 Boot Data 資料傳輸過程中，Host 可以打斷資料傳輸，提前結束 Boot Mode，方法如下：

1. Original Boot：傳輸過程中，拉高 CMD 信号
2. Alternative Boot：傳輸過程中，發送參數為 0xF0F0F0F0 的 CMD0 指令

Host 發送參數為 0xF0F0F0F0 的 CMD0 指令，可以讓 eMMC Device 進行 SW Reset。

Host 拉高 RST_n 信号可以觸發 eMMC Device 進行 HW Reset。

2.2 Boot Acknowledge

如果寄存器位 BOOT_ACK (EXT_CSD byte [179]) 被設定為 1， eMMC Device 會在 Host 觸發 Boot Mode 的 50 ms 内，在 DAT0 上發送一個 "010" Boot ACK 給 Host。

2.3 Boot Bus 配置

EXT_CSD byte [177] BOOT_BUS_CONDITIONS 寄存器用于配置在 Boot Mode 時，資料傳輸的總線狀态。

通過 BOOT_BUS_CONDITIONS 寄存器配置，在 Boot Mode 時，總線可以支援以下幾種模式：

BOOT_BUS_CONDITIONS 寄存器還可以配置退出 Boot Mode 後，是複位還是保留目前總線配置。如果配置為複位，那麼退出 Boot Mode 後，總線會被複位為 Backward Compatible SDR x1 模式，如果配置為保留，那麼退出 Boot Mode 後，總線會保留 Boot Mode 時的總線模式。

1. BOOT_BUS_CONDITIONS 寄存器為 nonvolatile 屬性，配置内容掉電不會丢失。
2. 如果 eMMC Device 沒有經過 Boot Mode，BOOT_BUS_CONDITIONS 寄存器不會改變總線模式。
3. 退出 Boot Mode 後，還可以通過 HS_TIMING 和 BUS_WIDTH 寄存器配置總線模式。

2.4 Boot Data 更新

eMMC Device 在從廠商出貨時，沒有存儲内容，也沒有使能 Boot Mode。使用 eMMC Devcie 産品需要先通過其他的方式（例如，通過 USB、UART 等）啟動一個下載下傳系統，将 Boot Data 以及其他的系統資料寫入到 eMMC 中，同時使能 Boot Mode 并設定 Boot Bus 模式。而後，産品才能從 eMMC Device 上啟動軟體系統。

Boot Data 的更新與其他資料的寫入類似，更多的資料寫入細節，請參考 Data Transfer Mode 小節。

3、Device Identification Mode

如果 Host 沒有觸發 Boot 流程或者 Boot 流程完成後，eMMC Device 會進入 Device Identification Mode。

eMMC Device 在退出 Boot Mode 後或者沒使能 Boot Mode 時 Power On、HW Reset 或者 SW Reset 後，會進入 Device Identification Mode 的 Idle State。

在 Idle State 下，eMMC Device 會進行内部初始化，Host 需要持續發送 CMD1指令，查詢 eMMC Device 是否已經完成初始化，同時進行工作電壓和尋址模式協商。

Host 發送的 CMD1 指令的參數中，包含了 Host 所支援的工作電壓和尋址模式資訊，eMMC Device 在接收到這些資訊後，會進行比對。如果 eMMC Devcie 和 Host 所支援的工作電壓和尋址模式不比對，那麼 eMMC Device 會進入Inactive State。

eMMC Device 在接收到 CMD1 指令後，會将 OCR register 的内容作通過 Response 傳回給 Host，其中包含了 eMMC Device 是否完成初始化的标志位、裝置工作電壓範圍 Voltage Range 和存儲通路模式 Memory Access Mode 資訊。

eMMC Device 完成初始化後，就會進入 Ready State。在該 State 下，Host 會發送 CMD2 指令，擷取 eMMC Device 的 CID。

CID，即 Device identification number，用于辨別一個 eMMC Device。它包含了 eMMC Device 的制造商、OEM、裝置名稱、裝置序列号、生産年份等資訊，每一個 eMMC Device 的 CID 都是唯一的，不會與其他的 eMMC Device 完全相同。

eMMC Device 接收到 CMD2 後，會将 127 Bits 的 CID register 的内容通過 Response 傳回給 Host。

發送完 CID 後，eMMC Device 接着就會進入 Identification State。而後，Host 會發送參數包含 16 Bits RCA 的 CMD3 指令，為 eMMC Device 配置設定 RCA。

設定完 RCA 後，eMMC Devcie 就完成了 Devcie Identification，進入 Data Transfer Mode。

節隻描述了單個 eMMC Device 的 Devcie Identification 過程，多個 eMMC 的 Device Identification 過程與此類似，更多的細節可以參考 eMMC Spec。           

3.1 Voltage Range

eMMC Device 支援 3.3v 和 1.8v 兩種工作電壓模式。在 1.8v 模式下，eMMC Device 會更加的省電。

3.2 Memory Access Mode

Memory Access Mode 決定了 eMMC Device 在響應 Host 的資料讀寫請求時，是如何通路内部存儲器的。在 eMMC 标準中存在兩種 Memory Access Mode：Byte Access Mode 和Sector Access Mode。

在資料讀寫的 Command 中，Host 會将讀寫的位址 A 作為 Command 的參數發送給 eMMC Device，在 Byte Access Mode 下，eMMC Device 将從第 A 個 Byte 開始進行讀寫操作，而在 Sector Access Mode 下，eMMC Device 将會從第 A 個 Sector 開始進行讀寫操作，一個 Sector 的大小為 512 Bytes 或者 4 KBytes，更大的 Sector 支援更大容量的存儲器通路。

使用 Byte Access Mode 更加的靈活高效，但是由于尋址位數的限制，不能通路超過 2GB 的存儲内容。Sector Access Mode 則支援大容量存儲的通路，其中 512 Bytes Sector 可以支援最大 256 GB 容量的存儲通路，更大容量的需求則可以使用 4 KBytes Sector。

3.3 RCA - Relative device Address

RCA 是在 Devcie Identification 過程中，由 Host 配置設定的 16 Bits 的裝置位址，主要用于 Data Transfer Mode 下進行通信時，標明具體要進行操作的 eMMC Devcie。

Host 配置設定的 RCA 通常從 1 開始遞增，0 位址作為廣播位址。eMMC Devcie 的 RCA register 儲存了 Host 配置設定的 RCA。

3.4 Data Transfer Mode

eMMC Device 完成 Device Identification 後，就會進入到 Data Transfer Mode 的 Standby State。

在 Standby State 時，Host 可以通過發送 CMD5 指令，讓 eMMC Devcie 進入 低功耗的 Sleep State，而後再發送 CMD5 指令則可以讓 eMMC Device 退出 Sleep State。

在 Standby State 時，Host 可以通過發送 CMD7 指令，讓 eMMC Devcie 進入 Transfer State，而後再發送 CMD7 指令則可以讓 eMMC Device 退出 Transfer State。

3.5 Read Data

在 Transfer State 時，Host 可以發送以下的指令，觸發資料讀取流程：

eMMC Device 在接收到上述幾個 CMD 時，就會進入 Sending-data State。在此 State 下，eMMC Device 會持續将資料發送給 Host，直到指定數量的資料 Block 傳輸完成或者接收到 Host 發送的 CMD12 傳輸停止指令。eMMC Device 在停止發送資料後，會傳回到 Transfer State。

如果 Host 在發送 CMD18 前，先發送一個設定需要讀取的 Block Count 的 CMD23。eMMC Device 在完成指定 Block Count 的資料發送後，就自動結束資料傳輸，不需要 Host 主動發送停止指令 CMD12。

如果 Host 沒有發送設定需要讀取的 Block Count 的 Command，發送 Multiple Block Read 的 Command 後，eMMC Device 會持續發送資料，直到 Host 發送 Stop Command 停止資料傳輸。

如果在發送 CMD18 前，先發送 CMD23 設定需要讀取的 Block Count，那麼 eMMC Device 會在發送完指定數量的 Block 後，自動停止發送資料。           

3.6 Write Data

在 Transfer State 時，Host 可以發送以下的指令，觸發資料寫入流程：

CID 寄存器值通常是隻能寫一次，由廠家在生産時确定并寫入 CSD 寄存器值的部分位則可以多次改寫。           

eMMC Device 在接收到上述幾個 CMD 時，就會進入Receive-data State，在此 State 下，eMMC Devcie 會持續從 Host 接收資料，并存儲到内部的 Buffer 或者寄存器中。

如果 Host 在發送 CMD25 前，先發送一個設定需要寫入的 Block Count 的 CMD23。eMMC Device 在完成指定 Block Count 的資料接收後，就自動結束資料傳輸，不需要 Host 主動發送停止指令 CMD12。

如果 Host 沒有發送設定需要寫入的 Block Count 的 Command，發送 Multiple Block Write 的 Command 後，eMMC Device 會持續接收資料，直到 Host 發送 Stop Command 停止資料傳輸。

eMMC Device 在開始進行寫入操作時，會先将接收到的資料存儲在内部 Buffer 中，然後在背景将 Buffer 中的資料寫入到 Flash 中。通常情況下，Host 發送資料的速度會比 eMMC 寫入 Flash 的速度快，是以内部的 Buffer 會出現寫滿的狀态，此時 eMMC Devcie 會将 DAT0 信号線拉低作為 Busy 信号。Host 收到 Busy 信号後，就會暫停發送資料，等到 eMMC Device 将 Buffer 中的資料處完一部分并解除 Busy 信号後，再重新發送資料。

當 eMMC Device 完成資料接收後，就會進入到 Programming State，将内部 Buffer 中剩餘未寫入的資料寫入到 Flash 中。 在該 State 下，eMMC Device 會持續将 DAT0 拉低，作為 Busy 信号。如果在完成寫入前，有收到新的寫入指令，那麼 eMMC Device 會立刻退回到 Receive-data State，進行資料接收；如果在完成寫入前，沒有收到新的寫入指令，則會在完成寫入後，退回到 Transfer State。

如果 eMMC Devcie 在 Programming State 時，還沒有完成寫入操作，就收到參數不等于自身 RCA 的 CMD7 指令，那麼 eMMC Device 會進入到 Disconnect State。在該 State 下，eMMC Device 會繼續進行寫入操作，寫入完成後則進入到 Stand-by State。

如果 eMMC Device 在 Disconnect State 時，還沒有完成寫入操作，就收到參數等于自身 RCA 的 CMD7 指令，那麼 eMMC Devcie 會從新回到 Programming State。

3.7 Packed Commands - Packed Read and Packed Write

eMMC 标準中，支援将對多個不連續位址的資料讀取或者寫入。

原文：eMMC 工作模式