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[摘 要]随着智能电视的普及，智能电视搭载了Android 操作系统，用户在欣赏普通电视内容的同时，可自行安装和卸载各类应用软件，这使得对存储空间的需求越来越大，系统需要存储密度高，写入和擦除速度更快的存储器。本文针对目前的智能电视普遍使用了EMMC存储器，讲解了EMMC的内部构成、数据存储原理以及测试方法等。
[关键词]EMMC SLC MLC
中图分类号：TN949.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）18-0108-01
一、EMMC的数据存储原理
我们知道三极管具备导通和不导通两种状态，这两种状态可以用来表示数据0和数据1，因此利用三极管作为存储单元的三极管阵列就可作为存储设备。EMMC是采用特殊的浮栅场效应管作为存储单元。
EMMC存储器栅极加电的过程等同于HDD硬盘的数据写入操作，它被称为“Program（编程）”，放电的过程电位恢复，这相当于HDD硬盘的擦除数据，这里称为 “Erase（擦除）”，完整的一次Program / Erase循环就是EMMC的写入循环，从这里也可以看出EMMC要想写入数据就需要恢复默认电位，也就是以“擦除”为前提，这个特性决定了EMMC的数据写入方式。
施加电压会导致浮栅极电位变化，那么施加不同的电压就会有更多的电位变化，NAND闪存单元就可以容纳不同的信号组合，这也就是SLC、MLC以及TLC的区别。
SLC（single-level-cell）是最简单的一种，加电就是1，放电就是0。
MLC （multi-level-cell）就是每个cell单元中有多个信号，通过控制不同的电压来实现的，常见的是2个电信号的，它的信号组合有11，01，00，10四种，也就是可储存的容量提升了。
TLC（Triple-level-cell）每个Cell单元中可容纳的3个信号位，有000，001，010，011，111，110，100，101这8种，容量会更大。
二、常用的SLC与MLC性能对比
1. MLC的读写性能下降
MLC需要更精确的电压控制，program过程所需时间更多，因此写入性能也会大幅下降，理论上只有SLC的1/4；读取数据，特别是随机读取性能也会受影响，因为需要花更多的时间从四种电信号状态中区分所需数据，读取性能只有SLC的1/3。
2. MLC可靠性下降
闪存一次P/E循环只需要击穿一次氧化层，而MLC需要不同的电压多次击穿氧化层，物理损害比SLC要严重得多，与SLC相比，MLC的写入次数会指数级的下降，比如SLC的理论寿命是1万-10万次，而MLC的写入寿命上限就只有1万次，而且随着制程工艺的进步，这个数值还在下降，25nm MLC普遍只有3000-5000次。
3. MLC需要更高的纠错
由于电压分的更细，MLC在读取数据的过程中需要提高敏感度，不然就容易出现读错数据的可能，也就是说MLC出错的几率增大了，纠错要求也必须随之提高，反应在EMMC上就是需要更强的ECC纠错机制。
4. MLC的漏电流、电压边界位移（voltage margin shifting）现象也增加了，MLC的功耗和发热也更高了，这些都是MLC带来的问题。
5. MLC的存储密度高，很好的解决了SLC的成本高和设计空间问题。
EMMC的寿命及改进方案：
因为EMMC写入和擦除数据时的高电压会导致介质（衬底的二氧化硅）的氧化降解，所以P/E循环次数是有限的，不像HDD的GMR（巨磁阻尼）效应那样是永久的，存在次数限制。目前主流25nm工艺下，MLC的P/E循环次数在3000-5000次之间，而最强的是SLC，标称有10万次写入寿命。
EMMC有限的写入循环次数决定了用的越频繁，NAND死得越早，如果不加以控制，那么容易就出现这样的情况：主控频繁向某部分bloc写数据-擦除数据-再写入数据，而NADN其他部分写数据的机会比较少，不平衡的使用方式对EMMC寿命也是一种伤害。
耗损均衡：耗损均衡（wear leveling）技术就是为了保证NAND所有区块的写入-擦除几率是均等的，就是“有难同当”，有活大家一起干，依照不同的状态，可以分为三种，无耗损均衡（no-wear leveling）、动态耗损均衡（Dynamic Wear Leveling）以及静态耗损均衡（Static Wear Leveling）三种 。耗损均衡是一种优化算法，它主要依赖于EMMC主控。
垃圾回收（garbage collection，简称GC）是EMMC恢复性能的另一大功能，这个主要跟厂商所用的主控有关，其意义就跟字面意思一样，通过清理无用的垃圾数据保持EMMC性能如新。
三、Mstar机芯EMMC认证测试
1、用eMMC_mboot_test.bin进行测试。
测试原理如下： 每次写1MB到random的一个地址，在NAND写的过程中（大概需要60～90ms）， 通过拉GPIO 直接断电。 3s后，watchdog使我们的板子重新启动，然后根据env中的记录去check 整个memory（除了上次写的1MB外），如果ok，就说明上次掉电写不会破坏pair page。重新init上次的那块1MB。 如此反复5000次循环，测试EMMC擦写寿命及断电写保护功能。 测试程序的使用方法如下：
1） 烧写附件的Mboot；
2） 第一次进Mboot后，在命令行敲如下命令：
setenv static_reliable_testloop_env 0；
saveenv mmc erase //确保erase完成，这样以后测试出错后，会停在命令行；
3）断电重启，自动测试开始。 如果出现以下错误信息，说明失败：
a. this emmc nand not support static reliable write！！！！！！！！！！！！ //根本就不支持static reliable write
b. static relibale write error！！！！！！！！！！！ //pair page别损坏
c. sleep need long time： error！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！ //这个板子拉GPIO掉电太慢，不能用来测试
d. emmc device write done //这个板子拉GPIO掉电太慢，不能用来测试 如果测试失败该eMMC则不能用。
2、 eMMC 还需要经过试产和量产验证。
3、 经过以上两点验证都OK的话，才算认证OK。
四、小结
EMMC的出现，解决了智能Android 操作系统对大容量数据存储的需求；并以标准封装接口简化了对存储电路的设计要求；但对于这样的新器件，我们需要对它进行更为详尽的测试，以使它的性能达到系统的设计要求。
参考文献
[1] 《MSD6A918四层板应用说明》
[2] 《5 款实用的硬盘、SSD 固态硬盘、U 盘、储存卡磁盘性能测试工具》
[关键词]EMMC SLC MLC
中图分类号：TN949.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）18-0108-01
一、EMMC的数据存储原理
我们知道三极管具备导通和不导通两种状态，这两种状态可以用来表示数据0和数据1，因此利用三极管作为存储单元的三极管阵列就可作为存储设备。EMMC是采用特殊的浮栅场效应管作为存储单元。
EMMC存储器栅极加电的过程等同于HDD硬盘的数据写入操作，它被称为“Program（编程）”，放电的过程电位恢复，这相当于HDD硬盘的擦除数据，这里称为 “Erase（擦除）”，完整的一次Program / Erase循环就是EMMC的写入循环，从这里也可以看出EMMC要想写入数据就需要恢复默认电位，也就是以“擦除”为前提，这个特性决定了EMMC的数据写入方式。
施加电压会导致浮栅极电位变化，那么施加不同的电压就会有更多的电位变化，NAND闪存单元就可以容纳不同的信号组合，这也就是SLC、MLC以及TLC的区别。
SLC（single-level-cell）是最简单的一种，加电就是1，放电就是0。
MLC （multi-level-cell）就是每个cell单元中有多个信号，通过控制不同的电压来实现的，常见的是2个电信号的，它的信号组合有11，01，00，10四种，也就是可储存的容量提升了。
TLC（Triple-level-cell）每个Cell单元中可容纳的3个信号位，有000，001，010，011，111，110，100，101这8种，容量会更大。
二、常用的SLC与MLC性能对比
1. MLC的读写性能下降
MLC需要更精确的电压控制，program过程所需时间更多，因此写入性能也会大幅下降，理论上只有SLC的1/4；读取数据，特别是随机读取性能也会受影响，因为需要花更多的时间从四种电信号状态中区分所需数据，读取性能只有SLC的1/3。
2. MLC可靠性下降
闪存一次P/E循环只需要击穿一次氧化层，而MLC需要不同的电压多次击穿氧化层，物理损害比SLC要严重得多，与SLC相比，MLC的写入次数会指数级的下降，比如SLC的理论寿命是1万-10万次，而MLC的写入寿命上限就只有1万次，而且随着制程工艺的进步，这个数值还在下降，25nm MLC普遍只有3000-5000次。
3. MLC需要更高的纠错
由于电压分的更细，MLC在读取数据的过程中需要提高敏感度，不然就容易出现读错数据的可能，也就是说MLC出错的几率增大了，纠错要求也必须随之提高，反应在EMMC上就是需要更强的ECC纠错机制。
4. MLC的漏电流、电压边界位移（voltage margin shifting）现象也增加了，MLC的功耗和发热也更高了，这些都是MLC带来的问题。
5. MLC的存储密度高，很好的解决了SLC的成本高和设计空间问题。
EMMC的寿命及改进方案：
因为EMMC写入和擦除数据时的高电压会导致介质（衬底的二氧化硅）的氧化降解，所以P/E循环次数是有限的，不像HDD的GMR（巨磁阻尼）效应那样是永久的，存在次数限制。目前主流25nm工艺下，MLC的P/E循环次数在3000-5000次之间，而最强的是SLC，标称有10万次写入寿命。
EMMC有限的写入循环次数决定了用的越频繁，NAND死得越早，如果不加以控制，那么容易就出现这样的情况：主控频繁向某部分bloc写数据-擦除数据-再写入数据，而NADN其他部分写数据的机会比较少，不平衡的使用方式对EMMC寿命也是一种伤害。
耗损均衡：耗损均衡（wear leveling）技术就是为了保证NAND所有区块的写入-擦除几率是均等的，就是“有难同当”，有活大家一起干，依照不同的状态，可以分为三种，无耗损均衡（no-wear leveling）、动态耗损均衡（Dynamic Wear Leveling）以及静态耗损均衡（Static Wear Leveling）三种 。耗损均衡是一种优化算法，它主要依赖于EMMC主控。
垃圾回收（garbage collection，简称GC）是EMMC恢复性能的另一大功能，这个主要跟厂商所用的主控有关，其意义就跟字面意思一样，通过清理无用的垃圾数据保持EMMC性能如新。
三、Mstar机芯EMMC认证测试
1、用eMMC_mboot_test.bin进行测试。
测试原理如下： 每次写1MB到random的一个地址，在NAND写的过程中（大概需要60～90ms）， 通过拉GPIO 直接断电。 3s后，watchdog使我们的板子重新启动，然后根据env中的记录去check 整个memory（除了上次写的1MB外），如果ok，就说明上次掉电写不会破坏pair page。重新init上次的那块1MB。 如此反复5000次循环，测试EMMC擦写寿命及断电写保护功能。 测试程序的使用方法如下：
1） 烧写附件的Mboot；
2） 第一次进Mboot后，在命令行敲如下命令：
setenv static_reliable_testloop_env 0；
saveenv mmc erase //确保erase完成，这样以后测试出错后，会停在命令行；
3）断电重启，自动测试开始。 如果出现以下错误信息，说明失败：
a. this emmc nand not support static reliable write！！！！！！！！！！！！ //根本就不支持static reliable write
b. static relibale write error！！！！！！！！！！！ //pair page别损坏
c. sleep need long time： error！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！ //这个板子拉GPIO掉电太慢，不能用来测试
d. emmc device write done //这个板子拉GPIO掉电太慢，不能用来测试 如果测试失败该eMMC则不能用。
2、 eMMC 还需要经过试产和量产验证。
3、 经过以上两点验证都OK的话，才算认证OK。
四、小结
EMMC的出现，解决了智能Android 操作系统对大容量数据存储的需求；并以标准封装接口简化了对存储电路的设计要求；但对于这样的新器件，我们需要对它进行更为详尽的测试，以使它的性能达到系统的设计要求。
参考文献
[1] 《MSD6A918四层板应用说明》
[2] 《5 款实用的硬盘、SSD 固态硬盘、U 盘、储存卡磁盘性能测试工具》