eMMC分区管理
Posted bobuddy
tags:
篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了eMMC分区管理相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
目录
0. 概述
FLASH分区类型
分区大小
分区编址
1. Boot Area Partitions
1.1 容量大小
1.2 从 Boot Area 启动
1.2.1 Original Boot Operation
1.2.2 Alternative Boot Operation
1.3 写保护
2. RPMB Partition
2.1 容量大小
2.2 Replay Protect 原理
2.3 RPMB 数据读取
2.4 RPMB 数据写入
3. General Purpose Partitions
3.1 容量大小
3.2 分区属性
3.2.1 Enhanced attribute
3.2.2 Extended attribute
4. User Data Area
4.1 容量大小
4.2 软件分区
4.3 区域属性
4.3.1 Enhanced attribute
5. eMMC 分区应用实例
参考：
Embedded Multi-Media Card (e•MMC) Electrical Standard (5.1) [PDF]
Disk partitioning [Web]
Master Boot Record [Web]
GUID Partition Table [Web]
Linux Kernel internals[Web]
0. 概述
大家一般所熟悉的分区的概念是在逻辑上将一个磁盘或存储设备分为几个区，每个区当做独立磁盘，以方便使用和管理。例如第一个磁盘的第一个分区叫做sda1，第一个磁盘的第二个分区叫做sda2；第二个磁盘的第一个分区叫做sdb1，第二个磁盘的第二个分区叫做sdb2。
大家所最为熟知的分区方式同时也是最主流的主要有两种：MBR（Master Boot Record）和GPT（GUID Partition Table）。前者应用于绝大多数使用Bios引导的PC设备（苹果使用EFI的方式），而后者主要是针对MBR的一些缺点进行了改进同时还可以兼容MBR并且支持2TB以上的存储（MBR不支持2TB以上的存储设备）。
android 2.x.x 版本上使用的是MBR，4.0版本以后就是使用的GPT分区方式。
注意，不管是MBR还是GPT，他们的分区都是指“逻辑上”的！！！即通过软件实现的，文件系统级别的。而我现在要说明的是eMMC本身自己的分区，即物理上的，不是通过软件就能实现的分区。
EMMC的分区有一些是AP不能修改的（如BOOT1、BOOT2和RPMB分区），有一些是可以通过特定的命令和寄存器就可以修改的（如Enhanced Partition和GPAP）。
FLASH分区类型
eMMC 标准中，可将内部的 Flash Memory 划分为 4 类区域，最多可以支持 8 个硬件分区，如下所示：
BOOT Area Partition 1 & 2
此分区主要是为了支持从 eMMC 启动系统而设计的。该分区的数据，在 eMMC 上电后，可以通过很简单的协议就可以读取出来。同时，大部分的 SOC 都可以通过 GPIO 或者 FUSE 的配置，让 ROM 代码在上电后，将 eMMC BOOT 分区的内容加载到 SOC 内部的 SRAM 中执行。
RPMB Partition
RPMB 是 Replay Protected Memory Block 的简称，它通过 HMAC SHA-256 和 Write Counter 来保证保存在 RPMB 内部的数据不被非法篡改。在实际应用中，RPMB 分区通常用来保存安全相关的数据，例如指纹数据、安全支付相关的密钥等。
General Purpose Partition 1～4
此区域则主要用于存储系统或者用户数据。 General Purpose Partition 在芯片出厂时，通常是不存在的，需要主动进行配置后，才会存在。
User Data Area
此区域则主要用于存储系统和用户数据。User Data Area 通常会进行再分区，例如 Android 系统中，通常在此区域分出 boot、system、userdata 等分区。
分区大小
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。
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。
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。
1. 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。
1.1 容量大小
这两个分区是由厂家在生产过程中配置好了的，并且其大小是不能由AP进行配置的。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 的最大容量可以为 128 KB × 255 = 32640 KB = 31.875 MB。
1.2 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：
1.2.1 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。
1.2.2 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。
1.3 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；
2. 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。
2.1 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 128KB x 128 = 16384 KB = 16 MB。
2.2 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。
2.3 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。
2.4 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。
3. 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。
3.1 容量大小
eMMC 最多可以支持 4 个 GPP，每一个 GPP 的大小可以单独配置。GPAP配置定义完成之后每一个GPAP的起始地址都为0x0；即可以相应地将其认为是独立的一块区域。只是在存放数据的时候会需要从新根据他的起始地址进行计算然后再存储数据。这样必然会增加一定的工作量；据笔者所知，目前大陆的手机及平板几乎没有用到这个功能。都是使用一整块的UDA，然后通过文件系统去进行逻辑上的分区使用。
我想肯定会有读者想问那这个功能到底有什么用呢？我想说eMMC是一个通过的存储设备，并不止是为手机和平板使用。当一个设备有多个CPU的时候并且他们的功能还不同时，这个时候使用GPAP这个功能就非常方便了。
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。
3.2 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。
3.2.1 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。
3.2.2 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。
4. 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。
4.1 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。
4.2 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。
4.3 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。
4.3.1 Enhanced attribute
Default, 未设定 Enhanced attribute。
Enhanced storage media， 设定该区域为 Enhanced storage media。
在实际的产品中，UDA 区域设定为 Enhanced storage media 后，一般是把该区域的存储介质从 MLC 改变为 SLC。通常，产品中可以将某一个 SW Partition 设定为 Enhanced storage media，以获得更好的性能和健壮性。
5. eMMC 分区应用实例
在一个 Android 手机系统中，分区：
hboot：这个类似电脑的BIOS是安卓的基本引导分区，这个分区坏了，你的手机差不多就变砖头了；
boot：这个是linux的引导分区，另外还有radio这个分区这个是一些底层设备的驱动；
recovery：这个分区装的就是我们刷机或升级系统时用的recovery程序的分区，recovery不同的版本会有不同的功能，我们一般刷机使用的第三方rec都是一些高手通过recovery的开源源码编译而来；
system：这个分区就是我们刷机是ROM所在的分区了，我们刷机所刷的基本就是它了；
userdata：这个是用户数据，cache这个是缓存分区，这里面基本都是 软件的缓存文件；
各个分区的呈现形式如下：
mmcblk0 为 eMMC 的块设备;
mmcblk0boot0 和 mmcblk0boot1 对应两个 Boot Area Partitions;
mmcblk0rpmb 则为 RPMB Partition；
mmcblk0px 为 UDA 划分出来的 SW Partitions;
如果存在 GPP，名称则为 mmcblk0gp1、mmcblk0gp2、mmcblk0gp3、mmcblk0gp4;
# ls /dev/block/mmcblk0*
/dev/block/mmcblk0
/dev/block/mmcblk0boot0
/dev/block/mmcblk0boot1
/dev/block/mmcblk0rpmb
/dev/block/mmcblk0p1
/dev/block/mmcblk0p2
/dev/block/mmcblk0p3
/dev/block/mmcblk0p4
/dev/block/mmcblk0p5
/dev/block/mmcblk0p6
/dev/block/mmcblk0p7
/dev/block/mmcblk0p8
/dev/block/mmcblk0p9
/dev/block/mmcblk0p10
/dev/block/mmcblk0p11
/dev/block/mmcblk0p12
/dev/block/mmcblk0p13
/dev/block/mmcblk0p14
/dev/block/mmcblk0p15
/dev/block/mmcblk0p16
/dev/block/mmcblk0p17
/dev/block/mmcblk0p18
/dev/block/mmcblk0p19
/dev/block/mmcblk0p20
/dev/block/mmcblk0p21
/dev/block/mmcblk0p22
/dev/block/mmcblk0p23
/dev/block/mmcblk0p24
/dev/block/mmcblk0p25
/dev/block/mmcblk0p26
/dev/block/mmcblk0p27
/dev/block/mmcblk0p28
/dev/block/mmcblk0p29
/dev/block/mmcblk0p30
/dev/block/mmcblk0p31
/dev/block/mmcblk0p32
以上是关于eMMC分区管理的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章