eMMC技术要点

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已于 2025-05-09 16:43:11 修改

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文章标签：硬件工程基带工程嵌入式硬件

于 2025-05-09 15:19:57 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/onchip/article/details/147825304

一、基本概念

MMC是MultiMediaCard的简称，从本质上看，它是一种用于固态非易失性存储的内存卡（memory card）规范[1]，定义了诸如卡的形态、尺寸、容量、电气信号、和主机之间的通信协议等方方面面的内容。

从1997年MMC规范发布至今，基于不同的考量（物理尺寸、电压范围、管脚数量、最大容量、数据位宽、clock频率、安全特性、是否支持SPI mode、是否支持DDR mode、等等），进化出了MMC、SD、microSD、SDIO、eMMC等不同的规范（如下面图片1所示）。虽然乱花迷人，其本质终究还是一样的，丝毫未变，这就是Linux kernel将它们统称为MMC的原因。

二、eMMC版本的发展历程

‌eMMC 4.5‌：这是eMMC的早期版本，主要应用于智能手机和平板电脑。
‌eMMC 5.0‌：该版本引入了更快的传输速率和更高的存储密度，进一步提升了性能。
‌eMMC 5.1‌：这是目前主流的版本，采用了64层3D NAND技术，提供了更高的存储容量

最新的eMMC 5.1芯片采用了64层3D NAND技术，单位面积存储密度达到传统NAND的3倍，数据传输速率也有显著提升‌

三、eMMC架构组成

eMMC的架构设计使其在嵌入式存储领域极具竞争力，主要包含三大核心模块：

（1）NAND Flash存储单元

eMMC采用MLC（多层单元）或TLC（三层单元）NAND闪存，提供1GB至256GB的存储容量。相较于传统Raw NAND，eMMC通过内置控制器优化了数据管理，提高稳定性和寿命。

（2）闪存控制器

eMMC的核心优势在于其集成控制器，负责：

坏块管理（Bad Block Management, BBM）：自动屏蔽失效存储块，防止数据丢失。

纠错码（ECC）：检测并修复数据传输中的错误，提高数据完整性。

磨损均衡（Wear Leveling）：均匀分配写入操作，延长闪存寿命。

垃圾回收（Garbage Collection）：优化存储空间利用率，减少写入放大问题。

（3）标准MMC接口

eMMC采用并行数据传输，支持多种工作模式：

Default Speed（最高26MB/s）：适用于基础应用。

High Speed（最高52MB/s）：eMMC 4.5及更早版本。

HS200（最高200MB/s） / HS400（最高400MB/s）：eMMC 5.0/5.1版本，大幅提升读写性能。
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原文链接：https://blog.youkuaiyun.com/Mkdkk/article/details/146561182

四、eMMC接口

eMMC 接口信号如下下图：

各个信号的描述如下：

CLK
用于从 Host 端输出时钟信号，进行数据传输的同步和设备运作的驱动。
在一个时钟周期内，CMD 和 DAT0-7 信号上都可以支持传输 1 个比特，即 SDR (Single Data Rate) 模式。此外，DAT0-7 信号还支持配置为 DDR (Double Data Rate) 模式，在一个时钟周期内，可以传输 2 个比特。
Host 可以在通讯过程中动态调整时钟信号的频率（注，频率范围需要满足 Spec 的定义）。通过调整时钟频率，可以实现省电或者数据流控（避免 Over-run 或者 Under-run）功能。在一些场景中，Host 端还可以关闭时钟，例如 eMMC 处于 Busy 状态时，或者接收完数据，进入 Programming State 时。
CMD
CMD 信号主要用于 Host 向 eMMC 发送 Command 和 eMMC 向 Host 发送对于的 Response。

DAT0-7
DAT0-7 信号主要用于 Host 和 eMMC 之间的数据传输。在 eMMC 上电或者软复位后，只有 DAT0 可以进行数据传输，完成初始化后，可配置 DAT0-3 或者 DAT0-7 进行数据传输，即数据总线可以配置为 4 bits 或者 8 bits 模式。

Data Strobe
Data Strobe 时钟信号由 eMMC 发送给 Host，频率与 CLK 信号相同，用于 Host 端进行数据接收的同步。Data Strobe 信号只能在 HS400 模式下配置启用，启用后可以提高数据传输的稳定性，省去总线 tuning 过程。
在这里插入图片描述

五、信号电器要求

以下为参考，需要关注器件规格书要求，同时符合HOST及Device的规格要求：

电压：VCC=3.3V；VCCQ=3.3V/1.8V,电压幅值需满足器件规格书要求

eMMC读时序

eMMC写时序

CMD

六、eMMC信号阻抗及走线

CLK和STRB信号建议做包地处理，包地线每隔≦500mil打一个GND过孔。

整体布局时，eMMC尽量靠近SOC放置，尽量缩短走线。
eMMC 所有信号的参考层需要为完整的地平面，避免出现连续的过孔阻断信号的回流路径的情况。
CLK的22ohm串联匹配电阻靠近CPU端（源端），CPU管脚和电阻之间走线必须控制在300mil以内。
STRB的0ohm串联匹配电阻靠近eMMC颗粒端，eMMC管脚和电阻之间走线必须控制在300mil以内。
VDD管脚外接电容必须靠近对应的管脚放置，走线尽量短粗。
序号   走线参数   走线要求
1   走线阻抗   单端50ohm±10%
2   时钟（CLK、STRB）与数据之间等长   <120mil
3   走线长度   <3 inches
4   eMMC信号线之间间距   2倍eMMC线宽
5   eMMC与其它信号间距   3倍线宽，至少2倍eMMC线宽
6   各信号所允许过孔数量   一般不超过2个

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原文链接：https://blog.youkuaiyun.com/2503_91889531/article/details/147739049

七、eMMC速率

随着 eMMC 协议的版本迭代，eMMC 总线的速率越来越高。为了兼容旧版本的 eMMC Device，所有 Devices 在上电启动或者 Reset 后，都会先进入兼容速率模式（Backward Compatible Mode）。在完成 eMMC Devices 的初始化后，Host 可以通过特定的流程，让 Device 进入其他高速率模式，目前支持以下的几种速率模式。

在这里插入图片描述

八、eMMC寿命

存储单元类型对寿命起决定性作用。以SLC为例，每个存储单元仅存储1比特数据，理论擦写次数可达10万次以上;MLC单元存储2比特数据，擦写次数降至约3000至1万次;TLC单元存储3比特数据，擦写次数进一步下降至500至3000次范围。

实际应用中，多数消费级eMMC采用TLC结构，其寿命周期需通过

写入总量公式计算:

寿命(年)=(总擦写次数x容量)/(每日写入量x365)。

例如，32GB容量TLC芯片标称擦写次数1000次，设备每日写入5GB数据，

理论寿命为(1000x32)/(5x365)≈17.5年。

写入放大效应(WA)对寿命影响显著。文件系统碎片化程度、小文件写入频率直接影响WA数值，典型安卓系统WA值可能达到2-5倍。某智能终端日志系统每小时产生50MB数据，WA为3时，实际写入量为150MB/小时，设备每日真实写入量达 3.6GB，较原始数据增加200%。采用TRIM指令和优化文件分配策略，可将 WA 降低至 1.2-1.8 区间。

温度参数需纳入计算模型。工作温度每升高10℃，NAND闪存氧化速率倍增，导致擦写次数折损率约40%。工业级设备在70℃环境下，MLC芯片寿命将从标称的3000次隆至约1800次。某车载导航系统在高温环境下实测寿命比实验室数据缩短 35%，需在计算时加入温度衰减系数，

公式修正为:实际寿命=理论寿命xn，

n取值参考 Arrhenius方程计算。

预留空间优化策略(Over-provisioning)策略优化。将20%物理容量划为隐藏区域可使寿命延长 30%-50%。32GB芯片配置6.4GBOP空间后，控制器可更有效实施磨损均衡，某智能手表项目采用该方案后，每日写入容忍量从2GB提升至3GB。动态OP配置方案根据使用情况自动调整保留区域，在负载高峰期自动扩容 OP空间。
数据压缩技术降低写入负载。采用LZ4实时压缩算法，文本类数据压缩率可达60%，某物联网设备日志系统通过压缩使原始写入量从每日8GB降至3.2GB。选择压缩算法时需平衡处理延迟，ZSTD算法在ARMortex-M7平台实现15MB/s压缩速率，适合实时性要求较高的应用场景。

数据压缩技术降低写入负载。采用LZ4实时压缩算法，文本类数据压缩率可达60%，某物联网设备日志系统通过压缩使原始写入量从每日8GB降至3.2GB。选择压缩算法时需平衡处理延迟，ZSTD算法在ARMCortex-M7平台实现15MB/s压缩速率，适合实时性要求较高的应用场景。
寿命监测系统设计应包括:实时写入量统计模块、温度传感器数据融合单元、剩余寿命预测算法。某工业控制器采用滑动窗口算法，按小时统计写入量，结合当前温度和工作电压，动态更新寿命预测值，精度误差控制在士10%以内。异常写入检测模块可识别突发性大数据流，自动触发写入限速保护机制。
实际工程应用中，建议建立三维寿命评估模型，将擦写次数、写入放大环境参数作为独立变量。通过加速寿命测试获取各变量权重系数，某企业测试数据显示，温度对 TLC寿命影响权重为 0.45，写入放大因子权重0.35，电压波动权重 0.2。

建立多维度寿命方程:L=aXP/E+βx1/WA+YX1/T，其中a、β、Y为各因素权重系数。

固件层面优化策略包括:智能缓存管理、写入合并机制、冷热数据分离某智能摄像头方案采用两级写入缓存，将4KB随机写入合并为128KB块写入，使擦除操作频率降低70%。结合机器学习算法预测高频修改区域，提前迁移热数据至低磨损区块，实现存储区块利用率均衡化。
寿命终止预警机制应分级设置阈值。当剩余寿命降至30%时触发初级预警记录系统日志;降至15%启动中级预警，限制非必要写入操作;低于5%时发出严重警报，强制进入只读模式。某医疗设备方案设置三级预警机制，结合LED指示灯颜色变化(绿-黄-红)实现状态可视化提示。
定期维护策略包括:文件系统碎片整理周期优化、坏块映射表更新频率调整。建议每三个月执行全盘碎片整理，将离散文件重组为连续块，某安防系统实施该策略后，WA值从2.8降至1.9。坏块管理采用动态替换策略，保留2%备用块应对突发坏块情况，当备用块使用超过 50%时自动触发预警