存储芯片 emmc、Nand flash、Nor flash之间有什么区别

随着存储领域的发展，有很多不同的存储介质，今天ICMAX就带大家来分一分emmc、Nand flash、Nor flash之间的区别。

emmc：全称为embeded MultiMedia Card，是一种嵌入式非易失性存储器系统，由Nand flash和Nand flash控制器组成，以BGA方式封装在一款chip上。

Nand flash：一种存储数据介质；若要读取其中的数据，需要外接的主控电路。

Nor flash：也是一种存储介质；它的存储空间一般比较小，但它可以不用初始化，可以在其内部运行程序，一般在其存储一些初始化内存的固件代码。

这里主要重点讲的是emmc 和Nand flash 之间的区别，主要区别如下：

(1) 在组成结构上：emmc存储芯片简化了存储器的设计，将NAND Flash芯片和控制芯片以MCP技术封装在一起，省去零组件耗用电路板的面积，同时也让手机厂商或是计算机厂商在设计新产品时的便利性大大提高。而NAND Flash仅仅只是一块存储设备，若要进行数据传输的话，只能通过主机端的控制器来进行操作，两者的结构图如下：

(2) 在功能上：eMMC则在其内部集成了 Flash Controller，包括了协议、擦写均衡、坏块管理、ECC校验、电源管理、时钟管理、数据存取等功能。相比于直接将NAND Flash接入到Host 端，eMMC屏蔽了 NAND Flash 的物理特性，可以减少 Host 端软件的复杂度，让 Host 端专注于上层业务，省去对 NAND Flash 进行特殊的处理。同时，eMMC通过使用Cache、Memory Array 等技术，在读写性能上也比 NAND Flash要好很多。而NAND Flash 是直接接入 Host 端的，Host 端通常需要有 NAND Flash Translation Layer，即 NFTL 或者 NAND Flash 文件系统来做坏块管理、ECC等的功能。另一方面，emmc的读写速度也比NAND Flash的读写速度快，emmc的读写可高达每秒50MB到100MB以上；

二、emmc的初始化和数据通信

emmc与主机之间通信的结构图：

其中包括Card Interface（CMD，DATA，CLK）、Memory core interface、总线接口控制（Card Interface Controller）、电源控制、寄存器组。

图中寄存器组的功能见下表：

CID: 卡身份识别寄存器 128bit,只读， 厂家号，产品号，串号，生产日期。

RCA: 卡地址寄存器，可写的16bit寄存器，存有Device identification模式由host分配的通信地址，host会在代码里面记录这个地址，MMC则存入RCA寄存器，默认值为0x0001。保留0x0000以用来将all device设置为等待CMD7命令状态。

CSD: 卡专有数据寄存器部分可读写128bit，卡容量，最大传输速率，读写操作的最大电流、电压，读写擦出块的最大长度等。

SCR: 卡配置寄存器， 可写的 64bit 是否用Security特性(LINUX不支持)，以及数据位宽（1bit或4bit）。

OCR: 卡操作电压寄存器 32位， 只读，每隔0.1V占1位， 第31位卡上电过程是否完成。

（5）Device Identification Mode和初始化

MMC通过发CMD的方式来实现卡的初始化和数据通信

Device Identification Mode包括3个阶段Idle State、Ready State、Identification State。

Idle State下，eMMC Device会进行内部初始化，Host需要持续发送CMD1命令，查询eMMC Device是否已经完成初始化，同时进行工作电压和寻址模式协商：eMMC Device 在接收到这些信息后，会将OCR的内容（MMC出厂就烧录在里面的卡的操作电压值）通过 Response 返回给 Host，其中包含了 eMMC Device 是否完成初始化的标志位、设备工作电压范围 Voltage Range 和存储访问模式 Memory Access Mode 信息。

如果 eMMC Devcie 和 Host 所支持的工作电压和寻址模式不匹配，那么 eMMC Device 会进入Inactive State。

Ready State，MMC完成初始化后，就会进入该阶段。

在该 State 下，Host 会发送 CMD2命令，获取eMMC Device 的CID。

CID，即 Device identification number，用于标识一个 eMMC Device。它包含了 eMMC Device 的制造商、OEM、设备名称、设备序列号、生产年份等信息，每一个 eMMC Device 的 CID 都是唯一的，不会与其他的 eMMC Device 完全相同。

eMMC Device 接收到CMD2后，会将 127 Bits 的CID的内容通过 Response返回给 Host。

Identification State，发送完 CID 后，eMMC Device就会进入该阶段。

Host 会发送参数包含 16 Bits RCA 的CMD3命令，为eMMC Device 分配 RCA。设定完 RCA 后，eMMC Devcie 就完成了 Devcie Identification，进入 Data Transfer Mode。

注：emmc初始化和数据通信的过程，有点类似USB协议，USB控制器去发送请求给USB设备，以IN包和OUT包的形式去建立与USB设备之间的通信，默认状态下，USB设备也是0地址的，与控制器分配设备地址。（感兴趣的可以看一下USB2.0的协议，主要是第8和9章内容）

三、eMMC工作电压和上电过程

根据工作电压的不同，MMC卡可以分为两类：

High Voltage MultiMediaCard，工作电压为3.3V左右。

Dual Voltage MultiMediaCard，工作电压有两种，1.70V~1.95V和2.7V~3.6V，CPU可以根据需要切换

我所使用的eMMC实测工作电压VCC为2.80V~2.96V，VCCQ为1.70V~1.82V。

其中VCC为MMC Controller/Flash Controller的供电电压，VCCQ为Memory和Controller之间I/O的供电。

上电初始化阶段MMC时钟频率为400KHz，需要等电压调整到它要求的VCC时（host去获取OCR中记录的电压值，上面有说），MMC时钟才会调整到更高的正常工作频率。

同为闪存！SSD、eMMC、UFS有何不同

如同内存在不同应用场景中可以分为DDR、LPDDR、GDDR一样，闪存在不同的设备中也以不同形式存在，比如SSD、UFS和eMMC。如果你对数码感兴趣，很容易想到SSD经常在电脑或服务器中出现，而UFS和eMMC则大多出现在智能手机等移动设备上。那么，既然SSD、UFS、eMMC都是闪存，它们的区别又在哪呢？

什么是闪存

首先，我们来了解一下它们的共同点。闪存（Flash Memory），指现在最常用的断电不丢失信息的半导体存储芯片，具有体积小、功耗低、不易受物理破坏的优点。

闪存主要分为NAND Flah、NOR Flash，这两种类型都是日本人发明后又经过美国Intel公司继续开发的。 NAND Flash具有较快的抹写时间，而且每个存储单元的面积较小，这让NAND Flash相较于NOR Flash具有较高的存储密度与较低的每比特成本。同时它的可抹除次数也高出NOR Flash的十几倍。而SSD、UFS、eMMC都属于NAND Flash。

SSD与UFS、eMMC的差别

就应用场景来说，UFS和eMMC是一类，都被使用在一些较小的移动设备上，而SSD一般则出现在电脑或服务器上。

SSD的主要作用是取代之前的HDD（机械硬盘），拥有超大容量，极高的并行性、对功耗和体积要求不敏感、兼容已有接口技术等特点。 为了达到高并行、高性能的要求，一个SSD有多颗Flash芯片，这样就可以在每个芯片上进行相互独立的读写操作，以并行性来提高硬盘吞吐量，还可以增加冗余备份。

而在寸土寸金的移动设备中，为了节省空间和功耗，eMMC和UFS通常只有一颗密度较高的Flash芯片。 eMMC中的「e」是「Embedded（嵌入）」的意思，而UFS原本称作eUFS，也就是说它们是嵌入在主板上的，并不像SSD一样有SATA或M.2接口可以插入，方便更换或升级。

此外，管理一颗Flash芯片和管理多颗Flash芯片，策略肯定是不一样的，因此它们的控制器也就完全不同了。这些便是SSD与eMMC和UFS的区别。

eMMC和UFS的区别

SSD与eMMC、UFS很好区分，但eMMC与UFS却有不少相似之处，所以接下来我们来看eMMC与UFS之间的区别。

虽然说eMMC闪存和UFS闪存在外观和作用上都没明显区别，但是实际上两者的内部结构却有着本质上的差异。eMMC的全称为「embedded Multi Media Card」，即嵌入式的多媒体存储卡。eMMC是在NAND闪存芯片的基础上，额外集成了主控制器，并将二者「打包」封装成一颗BGA芯片，从而大幅降低多芯片的空间占用和布线难度问题。

eMMC闪存基于并行数据传输技术打造，其内部存储单元与主控之间拥有8个数据通道，传输数据时8个通道同步工作，工作模式为半双工，也就是说每个通道都可以进行读写传输，但同一时刻只能执行读或者写的操作 ，与PC上已经淘汰的IDE接口硬盘很是相似。

这在实际应用中的影响就是，当我们将手机与PC连接，在拷贝照片的同时将无法访问手机存储空间内的其他文件夹，也无法同时往手机里拷贝数据，只有等照片传输完毕后才能进行其他操作。

而UFS 的全称是「Universal Flash Storage」，也就是通用闪存存储，它是基于串行数据传输技术打造，其内部存储单元与主控之间虽然只有两个数据通道，但由于采用串行数据传输，其实际数据传输时速远超基于并行技术的eMMC闪存。 此外UFS闪存支持的是全双工模式，所有数据通道均可以同时执行读写操作，在数据读写的响应速度上也要凌驾于eMMC闪存。

正因为eMMC闪存与UFS闪存在内部结构上存在着本质上的区别，这让两者的理论带宽产生了极大的差异。近年来比较常见的eMMC闪存多应用eMMC 4.x或者5.x规范，其中eMMC 4.5常见于低端设备，理论带宽为200MB/s，现在已经基本淘汰；而eMMC 5.0/5.1标准理论带宽分别为400MB/s和600MB/s，从数字上看并不算低。

然而与UFS闪存相比，eMMC闪存的这点理论带宽就不够看了。UFS闪存的相关标准是在2011年2月份首次亮相，当时的UFS 1.1标准其已经可以提供相当于300MB/s的理论带宽，而eMMC闪存要到2012年的eMMC 4.5标准时才可以提供200MB/s的理论速率。只是由于当时的应用环境以及成本等因素的限制，USF 1.1标准未能得到大规模的推广。

直到2014年UFS 2.0规范出炉后，eMMC闪存才被彻底碾压。UFS 2.0规范分为两部分，第一部分是UFS HS-G2规范，也就是我们常说的UFS 2.0，其单通道单向的理论带宽就可以达到1.45Gbps的水平，双通道双向的理论带宽就是5.8Gbps；而第二部分的UFS HS-G3标准，也就是我们常说的UFS 2.1，其理论带宽更是UFS 2.0的翻倍，达到11.6Gbps，eMMC闪存彻底望尘莫及了。

而到了近两年，UFS已经成为智能手机上的标配，现在最新的标准是UFS 3.1，单通道带宽为11.6Gbps，是UFS 2.1性能的两倍。

总结

总结来说，SSD、eMMC、UFS虽然同属闪存（NAND Flash），但它们在控制器、接口标准甚至更底层的Flash芯片标准上有所差别。SSD主要是为替代电脑或服务器上的HDD（机械硬盘），容量大，且兼容已有的接口技术。

eMMC、UFS则广泛应用于移动设备，且UFS是作为eMMC的替代品出现，它们都直接嵌入在主板上，很难替换。而UFS得益于接口标准带来的性能优势，逐渐成为智能手机，尤其是安卓手机的主流，eMMC则得益于其成本优势，依然在一些小型移动设备中出现。

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