基于eMMC的大容量存儲技術(shù)研究

1、專業(yè)綜合實踐報告基于eMMC的大容量存儲技術(shù)研究學(xué)生姓名：李元亨電子郵箱： 8539411基于eMMC的大容量存儲技術(shù)研究1、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析1.1eMMC概述eMMC是embeddedMultimediaCard的簡稱，MMC/eMMC是一種普遍使用的成本較低的數(shù)據(jù)存儲和傳播媒體，它的使用范圍覆蓋了大面積的便攜式電子產(chǎn)品，比如手持電腦、數(shù)碼相機、智能手機等，這些設(shè)備的統(tǒng)一特點就是高流動性、高性能、較低的成本、記憶卜口的低功耗和高數(shù)據(jù)吞吐量。eMMC為MMC協(xié)會所訂立的內(nèi)嵌式存儲器標準規(guī)格，主要是針對手機產(chǎn)品為主。eMMC的優(yōu)點是:簡化手機內(nèi)存儲器的使用，將 NANDFLASH芯片和控制芯

2、片設(shè)計成1顆MCP芯片，手機客戶只需要采購eMMC芯片，放進新手機中，不需處理其它復(fù)雜的 NANDFLASH兼容性和管理問題，eMMC最大優(yōu)點加快了新產(chǎn)品的更新速度，減少了研發(fā)成本，縮短了新產(chǎn)品的研發(fā)周期。eMMC是針對智能型手機（Smartphone）所設(shè)計的內(nèi)嵌式存儲器規(guī)格，是外接式記憶卡MMC的延伸，eMMC之后也擴散至平板計算機（Tablet PC）應(yīng)用領(lǐng)域。eMMC設(shè)計概念是把NAND Flash芯片和控制芯片封裝成BGA封裝芯片，可節(jié)省電路板的面積，客戶設(shè)計新產(chǎn)品時，也不需考慮內(nèi)建NAND Flash芯片的三星電子（Samsung Electronics）、美光（Micron）、東

3、芝（Toshiba），或是35納米、24納米或19納米制程，便利了手機客戶設(shè)計的程序和新產(chǎn)品問世時間點?？扉W記憶卡協(xié)會SD協(xié)會也同樣推出eSD規(guī)格，但目前eMMC在智能型手機內(nèi)嵌式存儲器領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)位置無可動搖，幾乎是所有手機大廠儲存接口的標準，除了蘋果（Apple）必采用自家的設(shè)計規(guī)范外。eMMC規(guī)格的標準這幾年也快速演進，從eMMC4.3、eMMC4.4、eMMC4.5陸續(xù)問世，而預(yù)計接棒eMMC規(guī)格的會是三星電子（Samsung Electronics）主導(dǎo)的UFS（Universal Flash Storage），會把Mobile RAM等芯片功能都涵蓋。在智能型手機領(lǐng)域中，eMMC規(guī)格

4、是主流，但在平板計算機或是輕薄型筆記本電腦（NB）上，仍要和SATA接口的固態(tài)硬盤（SSD）做競爭，畢竟SATA SSD有讀寫速度上的優(yōu)勢，不論是隨機效能（Random Performance）或是連續(xù)效能（Sequential Performance）等，內(nèi)嵌式iSSD也都明顯優(yōu)于eMMC，較適合PC類的產(chǎn)品應(yīng)用，例如新帝的iSSD產(chǎn)品就是SATA接口SSD的代表。1.2討論到eMMC的發(fā)展歷程，必須要從介紹Flash的歷史開始Flash分為兩種規(guī)格：NOR Flash和NAND Flash，兩者均為非易失性閃存模塊。1988年，Intel首次發(fā)出NOR flash技術(shù)，徹底改變了原先由EP

5、ROM和EEPROM一統(tǒng)天下的局面。NOR類似于DRAM， 以存儲程序代碼為主，可以讓微處理器直接讀取。因為讀取速度較快，但晶片容量較低，所以多應(yīng)用在通訊產(chǎn)品中，如手機。1989年，東芝公司發(fā)表NAND flash結(jié)構(gòu)，強調(diào)降低每比特的成本，更高的性能，并且像磁盤一樣可以通過接口輕松升級。因為NAND flash的晶片容量相對于NOR大，更像硬盤，寫入與清除資料的速度遠快于NOR，所以當時多應(yīng)用在小型機以儲存資料為主。目前已廣泛應(yīng)用在各種存儲設(shè)備上， 可存儲代碼和資料。NAND Flash的存儲單元發(fā)展：從 SLC， MLC到TLC，超越摩爾定律SLC=Single-Level Cell， 即

6、1bit/cell，讀寫速度快，壽命長，價格是MLC三倍以上，約10萬次讀寫壽命。MLC=Multi-Level Cell， 即2bit/cell ，速度一般，壽命一般，價格一般，月3000-10000次讀寫壽命。TLC=Triple-Level Cell，即3bit/cell，速度慢，壽命短，價格便宜，約500次讀寫壽命，技術(shù)在逐漸成長中。NAND Flash的存儲單元從最初的SLC（ Single Layer Cell）， 到2003年開始興起MLC （Multi-Layer Cell）， 發(fā)展至今，SLC已經(jīng)淡出主流市場，主流存儲單元正在從MLC向TLC（Triple Layer Cel

7、l）邁進。納米制程工藝和存儲單元的發(fā)展，使得同樣大小的芯片有更高密度和更多的存儲單元，F(xiàn)lash得以在容量迅速增加的同時，還大幅降低了單位存儲容量的成本。但其弊端也輕易顯現(xiàn)，從原來的1bit/cell發(fā)展到后來3bit/cell， 計算更為復(fù)雜，出錯率不免更高，讀寫次數(shù)和壽命也會更短。在這種情況下現(xiàn)有MLC 和 TLC Flash 都需要搭配一顆高性能的控制芯片來提供EDC和ECC、平均擦寫等Flash管理。1.3隨著近年平板電腦和智能手機等在全球熱潮來襲，嵌入式存儲eMMC即營運而生iphone，iPAD帶動了智能手機和平板電腦行業(yè)的迅猛發(fā)展，引發(fā)了電子產(chǎn)品更新?lián)Q代，對存儲硬件提出了更高的要

8、求。多媒體播放、高清攝像，GPS，各色各樣的應(yīng)用以及外觀輕薄小巧的發(fā)展趨勢，要求存儲硬件擁有高容量、高穩(wěn)定性和高讀寫速度的同時，需要存儲芯片在主板中占有更小的空間。然而NAND Flash 隨著納米制程和存儲技術(shù)的主流趨勢發(fā)展，性能卻在不斷下降?？刹翆憠勖?，出錯概率高，讀寫速度慢，穩(wěn)定性差。嵌入式存儲芯片eMMC就可以彌補這個市場需求和NAND Flash發(fā)展的缺口。eMMC（Embedded Multi Media Card） 采用統(tǒng)一的MMC標準接口， 把高密度NAND Flash以及MMC Controller封裝在一顆BGA芯片中。針對Flash的特性，產(chǎn)品內(nèi)部已經(jīng)包含了Flash管

9、理技術(shù)，包括錯誤探測和糾正，flash平均擦寫，壞塊管理，掉電保護等技術(shù)。用戶無需擔(dān)心產(chǎn)品內(nèi)部flash晶圓制程和工藝的變化。同時eMMC單顆芯片為主板內(nèi)部節(jié)省更多的空間。之前市場上流通的eMMC產(chǎn)品均出自國外的廠商閃迪、三星、東芝。而大陸廠商泰勝微科技今年第一個在國內(nèi)推出了自有品牌BIWIN的eMMC產(chǎn)品，完全自主研發(fā)和封裝測試，并將其產(chǎn)品命名為qNAND，已于年中推向了市場。泰勝微科技專注于嵌入式存儲產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)。擁有11年Flash的行業(yè)經(jīng)驗，是華南地區(qū)唯一一家擁有12寸晶圓封裝測試工廠的民營企業(yè)。根據(jù)最新的測試結(jié)果，BIWIN的品牌eMMCqNAND在一些關(guān)鍵性能指標上大幅優(yōu)于同類

10、產(chǎn)品。作為后來者，泰勝微的表現(xiàn)很值得期待。1.4 eMMC的未來eMMC規(guī)格的標準逐漸從eMMC4.4世代發(fā)展到eMMC4.5世代。就目前JEDEC的規(guī)劃方向來看，eMMC下一個世代將會由UFS（Universal Flash Storage）規(guī)格接棒。我們將UFS視為一種銜接eMMC 4.5版后的NAND Flash新接口標準，預(yù)期未來初期將在智能型手機及平板計算機等新興智能型移動裝置上，成為嵌入式儲存媒體的主要的應(yīng)用標準之一。UFS將提供極高的速度，以即時高速存儲大型多媒體文件，同時在消費電子設(shè)備上使用時降低功耗。有了新的標準，預(yù)計用戶存取90分鐘電影的時間會從目前的3分鐘降低到幾秒鐘。這

11、項新的標準將支持手機，數(shù)碼相機等其他消費電子產(chǎn)品，并將做為方便通用的開發(fā)標準存在。1.5 eMMC的市場需求今年eMMC出貨量預(yù)計將達到3.337億個，高于2010年的2.060億個。2011年總體手機出貨量的23%左右，大約相當于2.397億部，將采用eMMC，該比例兩年后將升至37%。其它重要的eMMC領(lǐng)域?qū)ㄆ桨咫娔X、電子書閱讀器和具備GPS的便攜導(dǎo)航設(shè)備。攝像機和機頂盒也在考慮使用eMMC的可行性。eMMC可提供節(jié)省成本的長期解決方案，而且具有標準化引腳。未來幾年eMMC出貨量將繼續(xù)上升，預(yù)計2015年達到7.791億個。手機將是eMMC市場的最大領(lǐng)域，2015年該領(lǐng)域的出貨量將達到

12、5.601億個，占72%。平板電腦將是第二大eMMC應(yīng)用市場，四年內(nèi)該領(lǐng)域的出貨量將從今年的1800萬個劇增到1.48億個。eMMC的發(fā)展非常迅速，性能幾乎逐年提升。IHS iSuppli公司的研究顯示，作為一種成本劃算的高密度閃存，eMMC已成功打入智能手機和平板電腦等高端市場，這些產(chǎn)品要求較高的存儲密度，同時要求低功耗和較小的引腳。尤其是，eMMC4.5規(guī)范增加了幾種新能力來提高壽命，包括每秒200MB的單數(shù)據(jù)率HS200模式，幾乎把現(xiàn)有內(nèi)存?zhèn)鬏斔俣忍岣吡艘槐?。該?guī)范還允許增加一個易失性（volatile）緩存，進一步利用eMMC portioning來實現(xiàn)更快的程度。IHS公司認為，隨著

13、NAND技術(shù)發(fā)展成各種更加專門的解決方案，eMMC將獲得更大的增長動能。它帶來了多個供應(yīng)商之間的兼容性、長期支持和可接受的成本。另外，該產(chǎn)品較強的可靠性與性能，將幫助其進入未來的高端產(chǎn)品之中，從而確保eMMC市場在未來幾年保持增長。2、eMMC(嵌入式多媒體存儲卡)簡介2.1應(yīng)用范圍eMMC (Embedded MultiMediaCard) 是嵌入式多媒體卡的縮寫，由MMC協(xié)會(MultiMediaCard As -sociation) 所訂立的嵌入式內(nèi)存標準規(guī)格，主要針對行動裝置產(chǎn)品為主，如手機、智能型手機、平板計算機、筆記本電腦等等；這些產(chǎn)品它們都需要輕薄的機身，因此有減少使用零組件面積

14、的需求，eMMC 便由此出現(xiàn)。2.2結(jié)構(gòu)eMMC 簡化了內(nèi)存的設(shè)計，使用多芯片封裝(MCP)技術(shù)，把 NAND Flash芯片和控制芯片(Control chip)封裝在一起，打成單一顆芯片，如此便可以省下零組件并增加電路板面積。eMMC 架構(gòu)是由一個嵌入式儲存方案所組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)帶有MMC接口、NAND Flash以及 Control所組成，經(jīng)由BGA 封裝在一顆小型的芯片上。簡單來說，HOST只需要透過MMC BUS下達命令即可，不需要任何內(nèi)存管理方面的算法(ECC、Wear-Leveling、BBM)的計算，這些都已經(jīng)交給了與NAND Flash封裝在一起的Control chip，這對

15、研發(fā)團隊來說無疑是降低研發(fā)成本的好方法。圖1 eMMC系統(tǒng)架構(gòu)圖2 主從設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖2.3規(guī)格eMMC傳輸速度高達52MB/s，電壓范圍為1.8v至3.3v，具備高速且可升級的特性。制定規(guī)格上，eMMC 4.2制訂了eMMC接口速度及容量，接口速度為52MB/s、容量規(guī)格則大于2GB。eMMC 4.3則新增Booting Function、Explicit Sleep Mode、Reliable Write等功能。eMMC 4.4更強化雙倍內(nèi)存接口效能(DDR)，使原本定義的52MB/s速度提升到100MB/s 以上，效能提高2倍，此外還加入了彈性分區(qū)管理概念(Multiple Partiti

16、oning)，將芯片定義為High Density及High Performance兩個部份，可將程序代碼和系統(tǒng)數(shù)據(jù)放在High Performance區(qū)塊，如此一來便可以更有彈性的使用區(qū)塊容量，而且在eMMC 4.4還增加了寫保護的功能，提高數(shù)據(jù)安全性。eMMC4.5協(xié)議中主要新增了HS200 Mode，時鐘頻率提高到200Mhz，數(shù)據(jù)傳輸速率達到了200MB/s（八根數(shù)據(jù)線的情況）。 表1 eMMC引腳接口說明2.4特性及優(yōu)勢(與傳統(tǒng)存儲設(shè)備比較)eMMC與傳統(tǒng)存儲設(shè)備相比，有很多良好的特性。2.4.1系統(tǒng)寬電壓范圍2.4.2十根總線結(jié)構(gòu)2.4.3完善的數(shù)據(jù)保護機制2.4.4兩種讀寫模式2

17、.4.5三種擦除資料模式2.4.6增強的主從設(shè)備通信技術(shù)2.4.7支持DDR模式（雙倍速率同步動態(tài)隨機存儲器）2.5工作模式所有 Host與Card之間的傳輸控制都是統(tǒng)一由HOST來控制，而HOST發(fā)送控制命令有分為兩種廣播和地址(點對點傳輸)。1、廣播命令模式 （Broadcast commands）顧名思義，就是HOST發(fā)送一個命令給所有的MMC卡，而某些卡則會對這命令做出回應(yīng)。2、地址命令模式 （Addressed (point-to-point) commands）可以理解成直接命令，也就是說Host直接對某張MMC卡下一個命令，而卡針對此命令直接做反應(yīng)。eMMC的五種操作模式：開機模

18、式、ID辨識模式、中斷模式、數(shù)據(jù)傳輸模式、無效模式。開機模式 Boot modePower ON后，卡若收到CMD0(GO_Idle_State)并帶argument(0xF0F0F0F0)，此時Card若支持Boot Mode則會進入Boot Mode，否則進入identification mode。ID辨識模式 Card identification Power ON 后，經(jīng)過 Boot mode 完成或不支持Boot mode，Card都將會進入此模式持續(xù)等待收到Host下CMD3(Send_Relative_Address)。中斷模式 Interrupt modeHost和Card會同

19、時進入此模式，此模式中不會做Data Transfer ，只允許Host or Card 送出 interrupt service request。數(shù)據(jù)傳輸模式 Data transfer mode當卡收到由Host所給予的RCA ，這時卡便會進入Data transfer mode，等待讀寫動作指令。無效模式 Inactive mode當Card若為電壓不符規(guī)定或插入方式無效時便會進入此模式，亦可使用CMD1(GO_INACTIVE_STATE )命令使一個已標識的Card進入非活動狀態(tài)。表2 eMMC五種工作模式eMMC工作時是基于設(shè)備跳轉(zhuǎn)到不同狀態(tài)來工作的。表3 設(shè)備不同狀態(tài)對應(yīng)的操作模

20、式及總線模式eMMC對應(yīng)的四種速度模式：表4 eMMC的速度模式2.6數(shù)據(jù)封包及傳輸協(xié)議封包(Packet)：eMMC協(xié)議中共有五種數(shù)據(jù)封包，分別是Command、Response、Block、CRC Status和Busy，詳述如下： Command：一律由Host下達，并可帶參數(shù)的命令。 Response：Device對Host發(fā)出Command所做的響應(yīng)，內(nèi)部參數(shù)表示該Device現(xiàn)階段的狀態(tài)為何。 Block：eMMC的傳輸協(xié)議中的基本單位，所有數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)都會封裝在Block里傳輸。 CRC Status：此數(shù)據(jù)封包通常在寫入Block后出現(xiàn)，用來通知Host寫入Block的結(jié)果。 Bu

21、sy：此數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)通常在寫入Block后出現(xiàn)，用來通知Host該Device 目前處于忙碌狀態(tài)，無法寫入下一個Block。 2.6.1指令(CMD)格式eMMC指令(CMD)分為四種類型，分別為：1、廣播指令，無響應(yīng)(No Response)2、廣播指令，有響應(yīng)(Response)3、地址指令(點對點)，無響應(yīng)(Response)4、地址指令(點對點)，有響應(yīng)(No Response)所有的指令均是由48字節(jié)長度組成的代碼，在時鐘頻率為52MHz的情況下，傳輸一條指令的時間為0.92ms。表5 指令格式eMMC控制指令一共有57條(CMD0CMD56)，這57條指令又分為10個指令集(class

22、0class9)，不同的設(shè)備支持的指令集不同，但是class0(basic)是所有設(shè)備必須支持的，他包括了初始化，識別設(shè)備等基本指令，要想看設(shè)備是否支持，可以通過看CSD寄存器的配置來了解。 2.6.2設(shè)備響應(yīng)(Response)格式所有響應(yīng)均是Device接受到Host命令之后在CMD信號線上發(fā)送的，而響應(yīng)內(nèi)容的長短取決于響應(yīng)的種類?；镜捻憫?yīng)結(jié)構(gòu)為Start bit - Transmission bitContent bitsCRC bits - End bit，如圖三所示。eMMC協(xié)議中共有5種響應(yīng)種類，分別是R1、R2、R3、R4與R5，詳細內(nèi)容如下：圖3 基本響應(yīng)封包結(jié)構(gòu)圖R1 (n

23、ormal response command): 總長48 bit，45:40代表響應(yīng)的CMD數(shù)值，39:8則是表示Device現(xiàn)在的狀態(tài)及設(shè)備可能出錯的標志位，這些位的說明參照 eMMC4.5協(xié)議。R1還有另一個格式為R1b，結(jié)構(gòu)與R1相同，不過增加了可選擇的BUSY信號。表6 R1響應(yīng)結(jié)構(gòu)R2 (CID, CSD register): 總長136bit，主要是響應(yīng)匯報CID與CSD緩存器的內(nèi)容，CID register分別對應(yīng)CMD2與CMD10，而CSD register則是對應(yīng)CMD9。表7 R2響應(yīng)結(jié)構(gòu)R3 (OCR register): 總長48bit，主要響應(yīng)回報ORC緩存器的內(nèi)

24、容，只有當Host下CMD1時，Device響應(yīng)的格式內(nèi)容就是R3。表8 R3響應(yīng)結(jié)構(gòu)R4 (Fast I/O): 總長48bit，主要用于要寫入和讀出某個緩存器8bit 的區(qū)段數(shù)據(jù)，只有當Host下CMD39，Device響應(yīng)的格式內(nèi)容就是R4。表9 R4響應(yīng)結(jié)構(gòu)R5 (Interrupt request): 總長48bit，此響應(yīng)為中斷請求的響應(yīng)格式，只有當Host下達CMD40命令某張卡必須進入中斷模式時，Device 若確實收到并響應(yīng)此R5響應(yīng)，則代表此卡進入中斷，并且RCA被設(shè)置為0x0。表10 R5響應(yīng)結(jié)構(gòu) 2.6.3指令與響應(yīng)傳輸時序主機發(fā)送的指令和設(shè)備的響應(yīng)無論是在SDR或者D

25、DR工作狀態(tài)，都是在時鐘的上升沿被采樣。1、 設(shè)備識別和設(shè)備操作狀態(tài)設(shè)定設(shè)備識別指令(CMD2)和設(shè)備操作狀態(tài)設(shè)定指令(CMD1)時序，設(shè)備在接收完畢指令后NID個時鐘周期后發(fā)出。圖4設(shè)備識別和設(shè)備操作狀態(tài)指令時序2、 向設(shè)備發(fā)送設(shè)備地址(OCR)指令CMD3是給設(shè)備配置地址的指令，在指令和響應(yīng)之間至少有NCR個時鐘周期。圖5設(shè)置設(shè)備地址時序3、 數(shù)據(jù)傳輸模式(Data Transfer Mode)當設(shè)備接收到自己的地址(RCA)后，就會跳轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)傳輸模式，在這個模式下CMD信號線工作在推拉模式。指令后要跟隨2位的高阻位(給總線改變模式的時間)，之后跟著被設(shè)備拉高的位(P bits)。這個時序

26、對于除了CMD1、2、3之外的所有指令都適用。圖6指令響應(yīng)時序(數(shù)據(jù)傳輸模式)4、 R1b響應(yīng)有一些指令，例如CMD6，需要有一個BUSY信號，響應(yīng)格式也為R1，如果BUSY信號被定義使用，在指令完成后兩個時鐘周期后它就會被設(shè)置。這時DAT0線就會被拉低，DAT1DAT7上的信號值無效。圖7 R1b響應(yīng)時序5、 設(shè)備響應(yīng)完畢到下一條指令發(fā)出兩者之間至少要間隔NRC。圖8 響應(yīng)結(jié)束至下一條指令時序(數(shù)據(jù)傳輸模式)6、 一條指令發(fā)出(無響應(yīng))到下一條指令發(fā)出兩者至少間隔NCC。圖9 兩條指令之間間隔時序2.6.4內(nèi)部寄存器格式根據(jù)設(shè)備的接口，有六組寄存器被定義：1、 RCA: Relative C

27、ard Address Register 關(guān)聯(lián)卡地址寄存器RCA寄存器保存了Host在識別過程中給卡配置的地址。此地址的主要作用是在識別過程之后，用于卡的識別。2、 CID: Card Identification Register 卡識別寄存器CID寄存器(128字節(jié))保存了卡的識別信息，主要應(yīng)用于卡的識別過程。每張卡都應(yīng)該有一個獨一無二的寄存器值。3、 CSD（Card-SpecificData）特殊寄存器CSD寄存器(128字節(jié))提供了一些信息告訴主機如何使用設(shè)備，CSD寄存器定義了數(shù)據(jù)格式，錯誤類型，最大數(shù)據(jù)使用次數(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速度，DSR寄存器是否可被使用等等?？梢酝ㄟ^CMD27來對此

28、寄存器編程。4、 EXT_CSD （Extend Card-SpecificData）擴展的特殊寄存器ECSD寄存器(512字節(jié))定義了設(shè)備的性能和一些選擇的模式，它最重要的320字節(jié)是性能的定義，它定義了設(shè)備的能力并且不能被主機修改。低192字節(jié)是模式的定義，定義了設(shè)備工作配置，這些可以通過CMD6指令來進行修改。5、 OCR: Operation Condition Register 工作條件寄存器32位的關(guān)聯(lián)卡地址寄存器存儲了設(shè)備的工作電壓范圍(VDD)以及指示了上電過程的狀態(tài)。OCR主要用在上電復(fù)位中，主要有兩個作用，一是在程序進入Idle State之后，讀busy位來判斷上電過程是

29、否完成；二是用來判斷CMD1發(fā)送來的電壓范圍卡是否支持，如果不支持，則進入Inactive State，初始化失敗。6、 DSR: Driver Stage Register 配置總線寄存器 DSR寄存器是一個可選寄存器，用來配置卡的總線驅(qū)動參數(shù)。之所以用DSR寄存器來設(shè)定總線的驅(qū)動能力，是因為總線走線的不一和拓撲結(jié)構(gòu)的多樣，造成總線的容值特性多樣。 這六組寄存器的詳細定義不再列出，參照eMMC4.5協(xié)議。2.6.5傳輸時序 分別是1位Bus 上升沿取樣(1 bit SDR)、4位Bus上升沿取樣(4 bits SDR)、8位Bus上升沿取樣(8 bits SDR)、4位Bus DDR與8位B

30、us DDR，這五種均是用Block為單位作數(shù)據(jù)傳輸，五種傳輸模式示意圖如下：圖10 1位Bus 上升沿取樣圖11 4位Bus 上升沿取樣圖12 8位Bus 上升沿取樣4位總線DDR：Block和CRC 在CLK 的上升沿與下降沿被取樣，而起始位和結(jié)束位只有在上升沿被取樣。圖13 4位Bus DDR取樣DDR 的取樣方式如下圖所示，它會依照CLK 的上下升沿作數(shù)據(jù)的獲取，進而達到雙倍的數(shù)據(jù)傳輸，這邊要注意，只有一開始與結(jié)束bit是上升沿獲取，Data以及CRC 的數(shù)據(jù)皆是上下沿獲取。圖14 8位Bus DDR取樣3、控制邏輯及流程圖 3.1工作的不同狀態(tài)(預(yù)先啟動模式，分區(qū)模式，初始化模式，數(shù)

31、據(jù)傳輸模式，中斷模式，休眠模式)eMMC有多種工作狀態(tài)，每種工作狀態(tài)都不可或缺的完成一部分任務(wù)，工作狀態(tài)有預(yù)先啟動模式，分區(qū)模式，初始化模式，數(shù)據(jù)傳輸模式，中斷模式，休眠模式。下面具體介紹這些功能。 3.1.2預(yù)先啟動模式eMMC能夠使主機通過在正確的時間按順序發(fā)送一系列指令來讀取引導(dǎo)啟動區(qū)的代碼來達到啟動一個系統(tǒng)的目的。eMMC提供了兩個Boot寄存器，如圖所示，每個寄存器都有獨立的物理地址，大小是128KB的倍數(shù)，倍數(shù)可以通過查看ECSD226來獲取。并且可以設(shè)置上電寫保護和永久寫保護，這是通過設(shè)置ECSD173來實現(xiàn)的。通過改變ECSD寄存器中相關(guān)位的值來選中響應(yīng)的寄存器并且讀取。用戶啟

32、動系統(tǒng)的代碼 通常放在Boot Area中，但也可以從User Area啟動系統(tǒng)，但這樣會帶來一些不穩(wěn)定和其他一些問題。圖15 Boot寄存器圖16 Boot Mode流程圖1、 當系統(tǒng)上電，或者硬件復(fù)位，或者主機發(fā)出CMD0指令并帶0xF0F0F0F0，系統(tǒng)就會進入Pre-Idle State。2、 設(shè)備會自動檢測BOOT_PARTITION_ENABLE是否為1，若為0則退出Boot模式，若為1，則進入下一步。3、 CMD線要至少保持74個時鐘周期的低電平，或者主機發(fā)送CMD0并帶0xFFFFFFFA，此時設(shè)備就會發(fā)出主機要讀的數(shù)據(jù)，主機接收完畢，就跳轉(zhuǎn)到Idle State。否則，結(jié)束B

33、oot模式。下圖為傳送數(shù)據(jù)時序圖：圖17 等待至少74個時鐘周期后，設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時序圖圖18 送入CMD0并帶0xFFFFFFFA后，設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時序圖 3.1.3分區(qū)模式分區(qū)模式能夠使主機將eMMC的一些存儲單元配置成一些具有特殊性能，可靠性高，執(zhí)行力強的一些模塊。不同的分區(qū)將被配置成不同的功能用于不同的目的。例如，大容量儲存空間的申請不需要嚴格定義它的耐久度，允許一定的壞扇區(qū)出現(xiàn)，然而，它們卻需要很高的帶寬和空間去存儲代碼和應(yīng)用軟件。最初的分區(qū)只有4塊，如圖所示，分別是兩個Boot區(qū)，一個RPMB區(qū)，剩下的是用戶存儲區(qū)。圖19 eMMC最初分區(qū)圖用戶可以通過配置用戶區(qū)來增加一些區(qū)域，每個區(qū)

34、域都會有獨立的物理地址從0x00000000開始。協(xié)議中規(guī)定，最多可以配置4個通用目的的區(qū)域(General-purpose area)去存儲一些敏感數(shù)據(jù)或者一些其他用途。不過這些區(qū)域大小有上限，可以通過查閱ECSD159:157來確定。一部分用戶區(qū)域也可被配置成具有增強工藝特點的區(qū)域從而使他們與默認存儲空間區(qū)分開來。這種具有增強型特點的區(qū)域確保了更高的性能和可靠性。增強型區(qū)域用SLC NAND來做比較合適，默認的用MLC NAND。Boot區(qū)和RPMB區(qū)的大小和屬性不可更改。用戶區(qū)的增強區(qū)和通用目的區(qū)的大小和屬性可以通過一次性編程設(shè)置，一旦編程則無法更改。主機可以指定增強型區(qū)域的開始地址。下

35、圖是一個分區(qū)的例子。圖20 一種分區(qū)的例子分區(qū)流程圖如圖所示。系統(tǒng)進入Transfer Mode模式后，才可進行分區(qū)操作。圖21 分區(qū)過程流程圖 3.1.4初始化模式 eMMC卡想要正常工作，必須先完成初始化過程，在初始化過程中，系統(tǒng)會完成對eMMC卡的識別，確定設(shè)備工作的電壓范圍和使用模式，向設(shè)備分配關(guān)聯(lián)卡地址(RCA，一個系統(tǒng)可能有多塊eMMC)。在初始化過程中所有的數(shù)據(jù)通信都只在CMD信號線上。下圖為設(shè)備初始化流程圖：圖22 設(shè)備初始化流程圖初始化詳細過程:進入Idle State的方式只有兩種，一種是通過Power On即上電進入，另外一種是通過CMD0切換。不過需要注意的是，CMD0

36、無法讓卡從Inactive State進入Idle State。進入Idle后，所有的寄存器都復(fù)位成默認值，RCA也變成了0x0001。而此時，CLK需要設(shè)置成fOD的范圍，即0-400kHz，以進行下面的流程。雖然進入到了Idle State，但是上電復(fù)位過程并不一定完成了，這主要靠讀取OCR的busy位來判斷。在Idle State只有CMD1和CMD58是合法指令。所以在進入Idle State之后，除了讓卡從Idle State轉(zhuǎn)變成Ready State，別無他途。 Idle State進入Ready State是通過CMD1完成的，只有發(fā)送帶有OCR格式電壓參數(shù)的CMD1

37、給MMC卡后，busy位為且電壓匹配，才進入Ready State。 如果回復(fù)的OCR中的busy位一直為0，則說明上電復(fù)位仍沒有完成，則需要一直發(fā)送CMD1，直到busy位為1。如果MMC卡收到CMD1的電壓參數(shù)不匹配，則進入Inactive State，不會對后續(xù)過程進行任何響應(yīng)。如果Host的IO電壓可調(diào)整，那調(diào)整前需要讀取OCR。為了不使卡誤進入Inactive State，可以給MMC卡發(fā)送不帶參數(shù)的CMD1，這樣可以僅獲取OCR寄存器，而不會改變卡的狀態(tài)。在識別過程中，Host不能改變電壓范圍，如果需要修改，則修改之后必須重新啟動識別流程。在Ready State下，發(fā)送

38、CMD2指令，可以使MMC卡則進入Identification State。CMD2如果發(fā)送成功，Host得到CID寄存器的值，而MMC卡則進入Identification State。若不成功，則卡狀態(tài)不變。 在單卡識別的情況下，只要fOD在范圍內(nèi)，且上拉正確，應(yīng)該可以準確無誤的收到CID的值，并進入Identification State。這一節(jié)最復(fù)雜之處在于多卡識別:MMC卡的多卡CMD和DATA是共用的，它們采用一種特殊的方式來完成識別和操作。過程如下：在idle->ready過程中，Host用電壓范圍這一條件，首先讓不符合電壓條件的卡進入Inactive State。

39、在ready->ident過程中，CMD2指令可以讓所有的卡發(fā)送CID值，所有卡的CMD都接在一起，這樣回傳CID的時候，相當于做了一個或操作，與CMD上或出來的結(jié)果不一致的卡就不會繼續(xù)發(fā)送（這里是需要卡的硬件有識別支持），而停留在ready。這里CID的唯一性發(fā)揮了作用，這樣每次CMD2操作之后，僅有一張卡進入ident，其余的都停留在ready而不能響應(yīng)CMD3。在ident->stby過程中，上述過程中篩選出的唯一卡獨占了CMD線，完成了RCA分配，進入stby。進入stby的卡不再響應(yīng)CMD2和CMD3。識別完一張卡之后，因為其他的卡還停留在ready，這樣就可以繼續(xù)上面的

40、步驟來一張一張的識別卡，最后直到CMD2再沒有回應(yīng)，說明卡都識別完了。完成上面的過程后，每張識別好的卡都進入了stby，而且每張都有自己的RCA，這樣之后的操作只需要在命令中帶入相應(yīng)的RCA，就可以對任意的卡進行獨立操作了，別的卡是不會響應(yīng)的。 3.1.5數(shù)據(jù)傳輸模式數(shù)據(jù)傳輸模式即eMMC的工作模式，在此模式下可實現(xiàn)對eMMC的編程，對存儲區(qū)屬性的設(shè)計，數(shù)據(jù)的讀寫，擦除，總線的測試等等功能。是eMMC最核心的模式。在此模式工作下的工作框圖如下圖所示。圖23 數(shù)據(jù)傳輸模式工作流程圖3.1.5.1總線測試及線寬選擇總線測試功能只有在SDR模式下有效，在DDR模式下無效。 進入數(shù)據(jù)傳輸模式后，需要對

41、總線進行傳輸測試以便檢查總線是否工作正常。在Transfer Mode下，主機通過發(fā)出CMD19和CMD14命令來檢測總線上引腳的工作狀態(tài)。首先，主機向設(shè)備發(fā)送CMD19指令，跟隨著一種特殊的數(shù)據(jù)格式。這些數(shù)據(jù)會在每一條DAT線上傳送。然后，主機發(fā)送CMD14命令去要求設(shè)備傳回剛才數(shù)據(jù)求反所得的新數(shù)據(jù)。主機通過比較接受的數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)，就可檢測出總線工作是否正常。表11 總線測試數(shù)據(jù)格式設(shè)備在接收數(shù)據(jù)時，檢測到開始位后，只接收數(shù)據(jù)前兩位數(shù)據(jù)，忽略后面所有位，也包括忽略CRC16校驗位。同時主機接收數(shù)據(jù)時，檢測到開始位后，只接收數(shù)據(jù)前兩位數(shù)據(jù)。忽略后面所有位，也包括忽略CRC16校驗位。下圖是

42、八位總線測試數(shù)據(jù)及正常結(jié)果。表12 8位總線測試范例圖24 總線測試時序圖在總線測試完畢后，主機可以選擇使用信號線的個數(shù)，是通過CMD6去配置ECSD183來實現(xiàn)的，復(fù)位后默認值是0x00，是一位總線模式。 3.1.5.2讀操作當沒有數(shù)據(jù)傳輸時，DAT0-DAT7處于高電平狀態(tài)，數(shù)據(jù)傳輸封包結(jié)構(gòu)是一位開始位0，接著是數(shù)據(jù)流，包含了數(shù)據(jù)和CRC校驗碼，最后是一位結(jié)束位1。數(shù)據(jù)傳輸是和時鐘同步的。 在SDR模式下，基本的傳輸單元是Block，它的最大長度被定義在CSD中的READ_BL_LEN。如果READ_BL_PARTIAL被置位，則更小的Block(PARTIAL BLOCK)被允許傳輸。C

43、MD17指令用來讀取一個塊的數(shù)據(jù)，完成后返回Transfer mode模式。在DDR模式中，讀取數(shù)據(jù)塊的大小總是512字節(jié)，部分塊的讀取則不被允許。主機可以通過CMD6更改ECSD196的值來選擇SDR模式還是DDR模式。CMD18指令用來讀取多塊數(shù)據(jù)(READ_MULTIPLE_BLOCK)，這條指令有兩種用法，一種是開放式讀取，即不設(shè)置結(jié)束標志。一種是預(yù)先指定了要讀取塊的個數(shù)，讀取完自動結(jié)束回到Transfer mode。開放式讀取，即要讀取的數(shù)據(jù)塊個數(shù)不被定義，設(shè)備會持續(xù)讀取數(shù)據(jù)直到收到停止傳輸指令。預(yù)先指定數(shù)據(jù)塊個數(shù)，設(shè)備會傳輸要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊，傳輸完畢后自動結(jié)束并回到Transfer

44、 Mode，一般情況下沒有必要使用停止傳輸指令。圖25 讀單塊數(shù)據(jù) 讀單塊操作開始時，主機先發(fā)送CMD16(SET_BLOCKLEN)設(shè)置塊長度。設(shè)備接收后，在發(fā)送CMD17(READ_SINGLE_BLOCK)讀取數(shù)據(jù)。圖26 單塊數(shù)據(jù)時序圖圖27 讀多塊數(shù)據(jù)流程圖讀多塊操作開始時，主機先發(fā)送CMD16(SET_BLOCKLEN)設(shè)置塊長度，接著發(fā)送CMD23(SET_BLOCK_COUNT)指令設(shè)置讀取塊個數(shù)，若不設(shè)置則為開放式讀取，接著發(fā)送CMD18指令開始讀數(shù)據(jù)。圖28 多塊讀取時序圖注意：CMD17，CMD18設(shè)置讀取塊開始地址時，地址只有32位(4G)，對于容量小于2G的卡來說，地

45、址即為每一位地址，對于容量大于2G的卡來說，地址為扇區(qū)地址，每個扇區(qū)為512B。如果用戶要用局部塊讀操作，則必須事先看CSD寄存器中的READ_BLK_MISALIGNED和READ_BL_PARTIAL是否為0，若不為0則系統(tǒng)不允許局部塊讀，讀數(shù)據(jù)時讀出塊大小必須為512B或者CSD中READ_BL_LEN83:80設(shè)置的值。 3.1.5.3寫操作寫操作的數(shù)據(jù)傳輸格式與讀操作相同，在SDR模式下每個數(shù)據(jù)塊后有一字節(jié)的CRC校驗，DDR模式下有兩字節(jié)。設(shè)備通過檢查CRC校驗位來判斷接收到的數(shù)據(jù)是否正確，所以一些傳輸錯誤的數(shù)據(jù)將被舍棄。通常情況下，打斷正在寫入的過程不會對其他地址中的數(shù)據(jù)造成影響

46、，但是掉電的風(fēng)險確實不可控的會造成一定的損失。然而，eMMC應(yīng)用了一些技術(shù)，來平衡寫入性能和正在寫入過程中掉電的數(shù)據(jù)保護(我的理解是若不管掉電的風(fēng)險，則會增強寫入性能；若要保持穩(wěn)定，則會一定程度上降低寫入性能)。在DDR模式中，寫入數(shù)據(jù)塊大小只能為512B，不支持局部塊寫入。單塊寫入方式與讀數(shù)據(jù)類似。多塊寫入方式有三種，開放式寫入，確定塊數(shù)寫入和可靠寫入(Reliable Write)。前兩種寫入方式與讀數(shù)據(jù)類似，不再贅述?？煽繉懭胧鞘孪榷x好要寫入的塊數(shù)和可靠寫入?yún)?shù)。它與前面的區(qū)別是，如果一個數(shù)據(jù)要寫入一個物理地址中，這個物理地址中之前存在數(shù)據(jù)，那么這個之前存在的數(shù)據(jù)在新數(shù)據(jù)沒有寫完畢前是

47、不會改變的。這個技術(shù)確保了物理地址中數(shù)據(jù)的更新不會留下沒有定義的數(shù)據(jù)。在編程過程中，即使掉電，數(shù)據(jù)也必須保持有效。這個功能的使用是依靠發(fā)送CMD23中設(shè)置bit31為1來實現(xiàn)的。在可靠性寫入中：所有塊長度均為512B，不受設(shè)置塊長度影響?？煽啃詫懭氡仨毷桥c扇區(qū)對齊的，不能任意指定地址，如果沒有對齊，則bit19錯誤位將會置1并且終止寫入操作。如果用戶要用局部塊寫入操作，則必須事先看CSD寄存器中的WRITE_BLK_MISALIGNED是否為0，若不為0則系統(tǒng)不允許局部塊寫入，寫入時寫入塊必須與物理地址對齊。寫單塊數(shù)據(jù)流程與寫多塊數(shù)據(jù)流程類似，下面只說明寫多塊數(shù)據(jù)流程及時序。寫多塊數(shù)據(jù)的順序為

48、，首先，主機發(fā)送CMD16指令設(shè)置塊長度，如果塊長度不需要改變，則這步可以省略。接著發(fā)送CMD25(MULTIPLE_BL_WRITE)，如果這兩步設(shè)備均接收不響應(yīng)錯誤，則進入數(shù)據(jù)傳輸模式。在每個塊傳輸完畢后，設(shè)備會向主機發(fā)送回復(fù)供主機檢測CRC，如果CRC正確，且設(shè)備處于不忙狀態(tài)，主機將會發(fā)送下一塊數(shù)據(jù)。當發(fā)送數(shù)據(jù)塊時，主機也可以查詢設(shè)備的狀態(tài)寄存器去對設(shè)備存在的任何新的狀態(tài)信息進行檢測。最后結(jié)束需要停止指令。圖29 多塊寫入流程圖圖30 多塊寫入時序圖 3.1.5.4擦除操作(Erase、Trim、Discard )設(shè)備的擦除操作也是寫操作中必不可少的一部分。eMMC中可擦除單元叫做“Er

49、ase Group”。Erase Group的大小是每個設(shè)備特殊的參數(shù)，如果ERASE_GROUP_DEF不使能，它就被定義在CSD寄存器中，如果ERASE_GROUP_DEF使能，則它被定義在ECSD中。被擦除后的單元可能被擦除成0，也可能被擦除成1，這依賴于不同的存儲技術(shù)，這個值在ECSD中會被定義。表11 ERASE_GROUP_DEF寄存器定義當ERASE_GROUP_DEF(EXT_CSD175)=0時 size of erasable unit = (ERASE_GRP_SIZE + 1) * (ERASE_GRP_MULT + 1) size of write protect =

50、 (WP_GRP_SIZE+1)當ERASE_GROUP_DEF(EXT_CSD175)=1時 size of erasable unit = 512Kbyte × HC_ERASE_GRP_SIZE size of write protect = 512KB * HC_ERASE_GRP_SIZE * HC_WP_GRP_SIZE 一旦擦除指令完成，設(shè)備中相應(yīng)的地址范圍中的單元將會被擦除成0或者1，這依賴于不同的存儲技術(shù)。主機能夠擦除一連串的Erase Group。開始擦除工作分為三個步驟，第一步，主機發(fā)送CMD35(ERASE_GROUP_START)命令來確定擦除的開始地址。第

51、二步發(fā)送CMD36定義結(jié)束地址。第三步，發(fā)送CMD38命令開始擦除操作。地址范圍與寫入時定義相同，在容量小于2GB時，地址范圍指的是字節(jié)范圍，在容量大于2GB時，地址范圍指的是扇區(qū)范圍。如果設(shè)備沒有按照這三步的順序接收到指令，設(shè)備就會將ERASE_SEQ_ERROR位置1(這位在狀態(tài)寄存器中)，然后重置擦除過程。如果主機提供的地址超出地址范圍，設(shè)備將會拒絕擦除命令，并將ADDRESS_OUT_OF_RANGE位置1，并且重置擦除過程。如果在擦除過程中一個不是擦除操作命令被主機發(fā)出，則設(shè)備會將ERASE_RESET位置1，并且重置擦除過程，執(zhí)行最后一條指令。不過，沒有被設(shè)備編址的指令是不會結(jié)束擦除操作的，即此命令無效。如果擦除操作地址包含了寫保護的地址，這些地址上的數(shù)據(jù)將會被保護，只有那些沒有寫保護的塊會被擦除。此時狀態(tài)寄存器中的WP_ERASE_SKIP位將會置1.擦除操作像寫操作一樣，在進行過程中設(shè)備會將DAT0置0.擦除操作耗時較長，所以主機可以發(fā)送CMD7命令對該設(shè)備取消選中。圖31 擦除操作流程圖eMMC的擦除操作分為四種方式，ERASE，TRIM，DISCARD，SANTIZE四種，這四種方式有一定的區(qū)別。擦除命令EraseTrimDiscardSanitizeargument 0x00000000 0x00000001 0x00000003 N/Auni