韩半仙

eMMC 原理 3 ：分区管理

1. Partitions Overview

eMMC 标准中，将内部的 Flash Memory 划分为 4 类区域，最多可以支持 8 个硬件分区，如下图所示：

1.1 概述

一般情况下，Boot Area Partitions 和 RPMB Partition 的容量大小通常都为 4MB，部分芯片厂家也会提供配置的机会。General Purpose Partitions (GPP) 则在出厂时默认不被支持，即不存在这些分区，需要用户主动使能，并配置其所要使用的 GPP 的容量大小，GPP 的数量可以为 1 - 4 个，各个 GPP 的容量大小可以不一样。User Data Area (UDA) 的容量大小则为总容量大小减去其他分区所占用的容量。更多各个分区的细节将在后续小节中描述。

1.2 分区编址

eMMC 的每一个硬件分区的存储空间都是独立编址的，即访问地址为 0 - partition size。具体的数据读写操作实际访问哪一个硬件分区，是由 eMMC 的 Extended CSD register 的 PARTITION_CONFIG Field 中的 Bit[2:0]: PARTITION_ACCESS 决定的，用户可以通过配置 PARTITION_ACCESS 来切换硬件分区的访问。也就是说，用户在访问特定的分区前，需要先发送命令，配置 PARTITION_ACCESS，然后再发送相关的数据访问请求。更多数据读写相关的细节，请参考 eMMC 总线协议章节。

eMMC 的各个硬件分区有其自身的功能特性，多分区的设计，为不同的应用场景提供了便利。

2. Boot Area Partitions

Boot Area 包含两个 Boot Area Partitions，主要用于存储 Bootloader，支持 SOC 从 eMMC 启动系统。

2.1 容量大小

两个 Boot Area Partitions 的大小是完全一致的，由 Extended CSD register 的 BOOT_SIZE_MULT Field 决定，大小的计算公式如下：

Size = 128Kbytes x BOOT_SIZE_MULT

一般情况下，Boot Area Partition 的大小都为 4 MB，即 BOOT_SIZE_MULT 为 32，部分芯片厂家会提供改写 BOOT_SIZE_MULT 的功能来改变 Boot Area Partition 的容量大小。BOOT_SIZE_MULT 最大可以为 255，即 Boot Area Partition 的最大容量大小可以为 255 x 128 KB = 32640 KB = 31.875 MB。

2.2 从 Boot Area 启动

eMMC 中定义了 Boot State，在 Power-up、HW reset 或者 SW reset 后，如果满足一定的条件，eMMC 就会进入该 State。进入 Boot State 的条件如下：

Original Boot Operation
CMD 信号保持低电平不少于 74 个时钟周期，会触发 Original Boot Operation，进入 Boot State。

Alternative Boot Operation
在 74 个时钟周期后，在 CMD 信号首次拉低或者 Host 发送 CMD1 之前，Host 发送参数为 0xFFFFFFFA 的 COM0时，会触发 Alternative Boot Operation，进入 Boot State。

在 Boot State 下，如果有配置 BOOT_ACK，eMMC 会先发送 “010” 的 ACK 包，接着 eMMC 会将最大为 128Kbytes x BOOT_SIZE_MULT 的 Boot Data 发送给 Host。传输过程中，Host 可以通过拉高 CMD 信号 (Original Boot 中)，或者发送 Reset 命令 (Alternative Boot 中) 来中断 eMMC 的数据发送，完成 Boot Data 传输。

Boot Data 根据 Extended CSD register 的 PARTITION_CONFIG Field 的 Bit[5:3]:BOOT_PARTITION_ENABLE 的设定，可以从 Boot Area Partition 1、Boot Area Partition 2 或者 User Data Area 读出。

Boot Data 存储在 Boot Area 比在 User Data Area 中要更加的安全，可以减少意外修改导致系统无法启动，同时无法更新系统的情况出现。

（更多 Boot State 的细节，请参考 eMMC 工作模式的 Boot Mode 章节）

2.3 写保护

通过设定 Extended CSD register 的 BOOT_WP Field，可以为两个 Boot Area Partition 独立配置写保护功能,以防止数据被意外改写或者擦出。

eMMC 中定义了两种 Boot Area 的写保护模式：

Power-on write protection，使能后，如果 eMMC 掉电，写保护功能失效，需要每次 Power on 后进行配置
Permanent write protection，使能后，即使掉电也不会失效，主动进行关闭才会失效

3. RPMB Partition

RPMB（Replay Protected Memory Block）Partition 是 eMMC 中的一个具有安全特性的分区。
eMMC 在写入数据到 RPMB 时，会校验数据的合法性，只有指定的 Host 才能够写入，同时在读数据时，也提供了签名机制，保证 Host 读取到的数据是 RPMB 内部数据，而不是攻击者伪造的数据。

RPMB 在实际应用中，通常用于存储一些有防止非法篡改需求的数据，例如手机上指纹支付相关的公钥、序列号等。RPMB 可以对写入操作进行鉴权，但是读取并不需要鉴权，任何人都可以进行读取的操作，因此存储到 RPMB 的数据通常会进行加密后再存储。

3.1 容量大小

两个 RPMB Partition 的大小是由 Extended CSD register 的 BOOT_SIZE_MULT Field 决定，大小的计算公式如下：

Size = 128Kbytes x BOOT_SIZE_MULT

一般情况下，Boot Area Partition 的大小为 4 MB，即 RPMB_SIZE_MULT 为 32，部分芯片厂家会提供改写 RPMB_SIZE_MULT 的功能来改变 RPMB Partition 的容量大小。RPMB_SIZE_MULT 最大可以为 128，即 Boot Area Partition 的最大容量大小可以为 128 x 128 KB = 16384 KB = 16 MB。

3.2 Replay Protect 原理

使用 eMMC 的产品，在产线生产时，会为每一个产品生产一个唯一的 256 bits 的 Secure Key，烧写到 eMMC 的 OTP 区域（只能烧写一次的区域），同时 Host 在安全区域中（例如：TEE）也会保留该 Secure Key。

在 eMMC 内部，还有一个RPMB Write Counter。RPMB 每进行一次合法的写入操作时，Write Counter 就会自动加一。

通过 Secure Key 和 Write Counter 的应用，RMPB 可以实现数据读取和写入的 Replay Protect。

RPMB 数据读取

RPMB 数据读取的流程如下：

Host 向 eMMC 发起读 RPMB 的请求，同时生成一个 16 bytes 的随机数，发送给 eMMC。
eMMC 将请求的数据从 RPMB 中读出，并使用 Secure Key 通过 HMAC SHA-256 算法，计算读取到的数据和接收到的随机数拼接到一起后的签名。然后，eMMC 将读取到的数据、接收到的随机数、计算得到的签名一并发送给 Host。
Host 接收到 RPMB 的数据、随机数以及签名后，首先比较随机数是否与自己发送的一致，如果一致，再用同样的 Secure Key 通过 HMAC SHA-256 算法对数据和随机数组合到一起进行签名，如果签名与 eMMC 发送的签名是一致的，那么就可以确定该数据是从 RPMB 中读取到的正确数据，而不是攻击者伪造的数据。

通过上述的读取流程，可以保证 Host 正确的读取到 RPMB 的数据。

RPMB 数据写入

RPMB 数据写入的流程如下：

Host 按照上面的读数据流程，读取 RPMB 的 Write Counter。
Host 将需要写入的数据和 Write Counter 拼接到一起并计算签名，然后将数据、Write Counter 以及签名一并发给 eMMC。
eMMC 接收到数据后，先对比 Write Counter 是否与当前的值相同，如果相同那么再对数据和 Write Counter 的组合进行签名，然后和 Host 发送过来的签名进行比较，如果签名相同则鉴权通过，将数据写入到 RPMB 中。

通过上述的写入流程，可以保证 RPMB 不会被非法篡改。

更多 RPMB 相关的细节，可以参考 eMMC RPMB 章节。

4. General Purpose Partitions

eMMC 提供了 General Purpose Partitions (GPP)，主要用于存储系统和应用数据。在很多使用 eMMC 的产品中，GPP 都没有被启用，因为它在功能上与 UDA 类似，产品上直接使用 UDA 就可以满足需求。

4.1 容量大小

eMMC 最多可以支持 4 个 GPPs，每一个 GPP 的大小可以单独配置。用户可以通过设定 Extended CSD register 的以下三个 Field 来设 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 的容量计算公式如下：

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)

Write protect group size = 512KB * HC_ERASE_GRP_SIZE * HC_WP_GRP_SIZE

eMMC 中，擦除和写保护都是按块进行的，上述表达式中的 HC_WP_GRP_SIZE 为写保护的操作块大小，HC_ERASE_GRP_SIZE 则为擦除操作的快的大小。

eMMC 芯片的 GPP 的配置通常是只能进行一次 (OTP)，一般会在产品量产阶段，在产线上进行。

4.2 分区属性

eMMC 标准中，为 GPP 定义了两类属性，Enhanced attribute 和 Extended attribute。每个 GPP 可以设定两类属性中的一种属性，不可以同时设定多个属性。

Enhanced attribute

Default, 未设定 Enhanced attribute。
Enhanced storage media，设定 GPP 为 Enhanced storage media。

在 eMMC 标准中，实际上并未定义设定 Enhanced attribute 后对 eMMC 的影响。Enhanced attribute 的具体作用，由芯片制造商定义。
在实际的产品中，设定 Enhanced storage media 后，一般是把该分区的存储介质从 MLC 改变为 SLC，提高该分区的读写性能、寿命以及稳定性。由于 1 个存储单元下，MLC 的容量是 SLC 的两倍，所以在总的存储单元数量一定的情况下，如果把原本为 MLC 的分区改变为 SLC，会减少 eMMC 的容量，就是说，此时 eMMC 的实际总容量比标称的总容量会小一点。（MLC 和 SLC 的细节可以参考 Flash Memory 章节内容）

Extended attribute

Default, 未设定 Extended attribute。
System code，设定 GPP 为 System code 属性，该属性主要用在存放操作系统类的、很少进行擦写更新的分区。
Non-Persistent，设定 GPP 为 Non-Persistent 属性，该属性主要用于存储临时数据的分区，例如 tmp 目录所在分区、 swap 分区等。

在 eMMC 标准中，同样也没有定义设定 Extended attribute 后对 eMMC 的影响。Extended attribute 的具体作用，由芯片制造商定义。Extended attribute 主要是跟分区的应用场景有关，厂商可以为不用应用场景的分区做不同的优化处理。

5. User Data Area

User Data Area (UDA) 通常是 eMMC 中最大的一个分区，是实际产品中，最主要的存储区域。

5.1 容量大小

UDA 的容量大小不需要设置，在配置完其他分区大小后，再扣除设置 Enhanced attribute 所损耗的容量，剩下的容量就是 UDA 的容量。

5.2 软件分区

为了更合理的管理数据，满足不同的应用需求，UDA 在实际产品中，会进行软件再分区。目前主流的软件分区技术有 MBR（Master Boot Record）和 GPT（GUID Partition Table）两种。这两种分区技术的基本原理类似，如下图所示：

软件分区技术一般是将存储介质划分为多个区域，既 SW Partitions，然后通过一个 Partition Table 来维护这些 SW Partitions。在 Partition Table 中，每一个条目都保存着一个 SW Partition 的起始地址、大小等的属性信息。软件系统在启动后，会去扫描 Partition Table，获取存储介质上的各个 SW Partitions 信息，然后根据这些信息，将各个 Partitions 加载到系统中，进行数据存取。

MBR 和 GPT 此处不展开详细介绍，更多的细节可以参考 wikipedia 上 MBR 和 GPT 相关介绍。

5.3 区域属性

eMMC 标准中，支持为 UDA 中一个特定大小的区域设定 Enhanced attribute。与 GPP 中的 Enhanced attribute 相同，eMMC 标准也没有定义该区域设定 Enhanced attribute 后对 eMMC 的影响。Enhanced attribute 的具体作用，由芯片制造商定义。