eMMC基礎(chǔ)知識(shí)介紹

基礎(chǔ)知識(shí)介紹

eMMC1eMMC基礎(chǔ)知識(shí)介紹5/9/2024主要內(nèi)容

?eMMC

的基本概念

?eMMC

總線和寄存器的相關(guān)介紹

?eMMC的工作模式

2eMMC基礎(chǔ)知識(shí)介紹5/9/2024什么是eMMC?eMMC全稱是EmbeddedMultiMediaCard（嵌入式多媒體卡）

?由一個(gè)嵌入式存儲(chǔ)解決方案組成，帶有MMC接口、NANDFlash以及MMC控制器，這些結(jié)構(gòu)都被封裝在一個(gè)小型BGA中。

?簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，eMMC=NANDFlash+MMC控制芯片+MMC標(biāo)準(zhǔn)接口。

3eMMC基礎(chǔ)知識(shí)介紹5/9/2024eMMC的優(yōu)勢(shì)

?eMMC在內(nèi)部集成了存儲(chǔ)控制器，其中包含了協(xié)議、擦寫(xiě)均衡、壞塊管理、ECC校驗(yàn)、電源管理、時(shí)鐘管理、數(shù)據(jù)存取等功能。

?相比于直接將NANDFlash接入到主機(jī)進(jìn)行使用，eMMC屏蔽了NANDFlash的物理特性，這樣減少了主機(jī)端軟件的復(fù)雜度，讓主機(jī)端專注于上層業(yè)務(wù)，省去了對(duì)NANDFlash的特殊處理。

?同時(shí)，eMMC還運(yùn)用了緩存、存儲(chǔ)陣列等技術(shù)，在讀寫(xiě)性能上也比NANDFlash要好很多。

?

因此，eMMC也逐漸成為了目前最常用的移動(dòng)設(shè)備本地存儲(chǔ)解決方案。

4eMMC基礎(chǔ)知識(shí)介紹5/9/2024eMMC與SD的關(guān)系

eMMC和SD的技術(shù)本質(zhì)是一樣的，都是從MMC規(guī)范演化而來(lái),使用相同的總線規(guī)范；

?eMMC強(qiáng)調(diào)的是多媒體存儲(chǔ)（MM，MultiMedia）；

?SD強(qiáng)調(diào)的是安全和數(shù)據(jù)保護(hù)（S，Secure）；

5eMMC基礎(chǔ)知識(shí)介紹5/9/2024eMMC協(xié)議規(guī)范

目前eMMC協(xié)議規(guī)范最新的版本是JESD84-B51，它規(guī)范了總線接口以及控制芯片，而對(duì)在系統(tǒng)架構(gòu)中的主機(jī)和存儲(chǔ)陣列部分的內(nèi)容并沒(méi)有未完全規(guī)定。

6eMMC基礎(chǔ)知識(shí)介紹5/9/2024eMMC總線

eMMC的總線由11條信號(hào)線組成，一條時(shí)鐘信號(hào)線（CLK），一條數(shù)據(jù)選通信號(hào)線（DataStrobe），一條命令信號(hào)線（CMD），八條數(shù)據(jù)信號(hào)線（DAT０-7）。

CLK用于從主機(jī)輸出時(shí)鐘信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐胶驮O(shè)備運(yùn)作的驅(qū)動(dòng)。

在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，CMD和DAT0-7上都可以支持傳輸1bit數(shù)據(jù)，即SDR（SingleDataRate）模式。此外，DAT0-7信號(hào)還支持配置為DDR（DoubleDataRate）模式，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，可以傳輸2bits數(shù)據(jù)。

7eMMC基礎(chǔ)知識(shí)介紹5/9/2024eMMC總線

DataStrobe是在eMMC5.0中引入的一根時(shí)鐘信號(hào)線。它是由eMMC發(fā)送給主機(jī)的，且頻率與時(shí)鐘線相同，用于和主機(jī)端進(jìn)行數(shù)據(jù)接收的同步。該信號(hào)線只能在HS400模式下配置啟用，啟用后可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

CMD線是雙向命令通道信號(hào)線，用于主機(jī)向eMMC發(fā)送命令以及eMMC向主機(jī)回傳應(yīng)答。CMD線在上電后都是保持高電平狀態(tài)，因此命令和應(yīng)答數(shù)據(jù)的起始位都是“0”。下圖就是命令和應(yīng)答的具體格式。

命令格式

應(yīng)答格式

8eMMC基礎(chǔ)知識(shí)介紹5/9/2024eMMC總線

DAT線用于主機(jī)和eMMC之間的數(shù)據(jù)傳輸。在設(shè)備上電或者軟復(fù)位后，只有DAT0可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在eMMC完成初始化后，可通過(guò)命令CMD6配置DAT0-3或者DAT0-7進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即將eMMC配置為4bits或者8bits傳輸模式。但所有的傳輸模式下，數(shù)據(jù)塊的結(jié)構(gòu)都是大致相同的，都是由起始位“0”，數(shù)據(jù)，CRC16和停止位“1”這四部分組成的。

以下是在不同傳輸模式下，數(shù)據(jù)塊的格式。

1bitSDR模式

4bitsSDR模式

8bitsSDR模式

9eMMC基礎(chǔ)知識(shí)介紹5/9/2024eMMC總線

在雙倍數(shù)據(jù)率模式下，DAT線在時(shí)鐘的上升沿和下降沿都會(huì)傳輸數(shù)據(jù)，其中上升沿傳輸數(shù)據(jù)的奇數(shù)字節(jié)

（Byte1,3,5...），下降沿則傳輸數(shù)據(jù)的偶數(shù)字節(jié)（Byte2,4,6...），每條DAT線上都有兩個(gè)相互交織的CRC16，上升沿的CRC比特組成oddCRC16，用于校驗(yàn)該DAT線上所有上升沿比特組成的數(shù)據(jù)。下降沿的CRC比特組成evenCRC16，用于校驗(yàn)該DAT線上所有下降沿比特組成的數(shù)據(jù)。

4bitsSDR模式

8bitsDDR模式

10eMMC基礎(chǔ)知識(shí)介紹5/9/2024eMMC傳輸速率

隨著eMMC協(xié)議的版本迭代，eMMC總線的速率越來(lái)越高。為了兼容舊版本的設(shè)備，所有設(shè)備在上電或者重啟后，都會(huì)先進(jìn)入兼容速率模式。在完成設(shè)備的初始化后，主機(jī)可以通過(guò)命令CMD6，讓設(shè)備進(jìn)入其他高速率模式。目前eMMC支持的傳輸速率如下表所示。

11eMMC基礎(chǔ)知識(shí)介紹5/9/2024eMMC控制芯片

主機(jī)就是通過(guò)命令對(duì)控制芯片的寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)，來(lái)完成對(duì)eMMC的操作。控制芯片的寄存器主要有以下部分：

OCR，工作條件寄存器，存放設(shè)備的電壓信息概況和訪問(wèn)模式；

CID，設(shè)備識(shí)別寄存器，存放設(shè)備在識(shí)別階段所使用到的設(shè)備識(shí)別信息。每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的識(shí)別號(hào)；

RCA，相對(duì)地址寄存器，存放設(shè)備在識(shí)別階段主機(jī)分配的設(shè)備地址。此地址用于設(shè)備識(shí)別之后主機(jī)與設(shè)備之間的尋址通訊；

CSD，數(shù)據(jù)寄存器，寄存著設(shè)備內(nèi)容訪問(wèn)方式的信息，其中定義了數(shù)據(jù)格式、讀寫(xiě)數(shù)據(jù)塊的大小、最長(zhǎng)數(shù)據(jù)訪問(wèn)時(shí)間、數(shù)據(jù)傳輸速度、DSR寄存器是否可用等。

EXT_CSD，擴(kuò)展數(shù)據(jù)寄存器，定義了設(shè)備屬性和選定的模式。它長(zhǎng)512字節(jié)，高320位字節(jié)是屬性段，定義了設(shè)備能力，不能被主機(jī)更改。低192位字節(jié)是模式段，定義了設(shè)備的工作配置。主機(jī)可以被通過(guò)SWITCH命令（CMD6）改變這些配置。

DSR，驅(qū)動(dòng)寄存器，用于擴(kuò)展操作條件以提高總線性能（取決于總線長(zhǎng)度、傳輸速率或設(shè)備數(shù)等參數(shù)）。

QSR，隊(duì)列狀態(tài)寄存器，存儲(chǔ)著在特定時(shí)間點(diǎn)隊(duì)列中的任務(wù)狀態(tài)。

12eMMC基礎(chǔ)知識(shí)介紹5/9/2024eMMC分區(qū)

eMMC標(biāo)準(zhǔn)中，內(nèi)部的存儲(chǔ)空間被劃分為了4類區(qū)域，最多可以支持8個(gè)硬件分區(qū)。

?引導(dǎo)分區(qū),存儲(chǔ)引導(dǎo)信息；

?RPMB分區(qū),存儲(chǔ)一些有防止非法篡改需求的數(shù)據(jù)，如：手機(jī)上指紋支付相關(guān)的公鑰、序列號(hào)等；

?通用分區(qū),屬于可選分區(qū)，可以為分區(qū)設(shè)置一些額外的屬性，比如：提高該分區(qū)的讀寫(xiě)性能、壽命以及穩(wěn)定性或者將這些用來(lái)作為存放操作系統(tǒng)類的、很少進(jìn)行擦寫(xiě)更新的分區(qū)等。

?用戶數(shù)據(jù)分區(qū)；

13eMMC基礎(chǔ)知識(shí)介紹5/9/2024eMMC啟動(dòng)流程

1、上電

eMMC上電后，會(huì)進(jìn)入到pre-idle狀態(tài)，除此之外，eMMC還可以通過(guò)以下兩種方法進(jìn)入到pre-idle狀態(tài)

1）軟件復(fù)位，設(shè)備收到從主機(jī)發(fā)來(lái)的GO_PRE_IDLE_STATE命令（參數(shù)為

0xF0F0F0F0的CMD0）；

2）硬件復(fù)位，可以通過(guò)主機(jī)拉高RST_n信號(hào)線來(lái)觸發(fā)。

２、eMMC確認(rèn)是否需要進(jìn)入引導(dǎo)模式

eMMC的寄存器位BOOT_PARTITION_ENABLE（EXT_CSDbyte[179]）中有引導(dǎo)配置。eMMC可以通過(guò)這些配置確認(rèn)是否需要進(jìn)入引導(dǎo)模式以及引導(dǎo)分區(qū)。如果沒(méi)有啟用引導(dǎo)模式，那么eMMC將直接進(jìn)入到idle狀態(tài)。

14eMMC基礎(chǔ)知識(shí)介紹5/9/2024eMMC啟動(dòng)流程

3、eMMC進(jìn)入引導(dǎo)模式

如果啟用了引導(dǎo)模式，并且檢測(cè)到CMD線被拉低了74個(gè)時(shí)鐘周期后，eMMC就會(huì)進(jìn)入引導(dǎo)模式，并開(kāi)始準(zhǔn)備向主機(jī)發(fā)送引導(dǎo)數(shù)據(jù)。

在CMD線被拉低1秒之內(nèi)，eMMC開(kāi)始在DAT線上向主機(jī)發(fā)送引導(dǎo)數(shù)據(jù)。主機(jī)在讀取引導(dǎo)數(shù)據(jù)時(shí)，必須保持CMD線為低。如果eMMC啟用了引導(dǎo)確認(rèn)，那么eMMC必須在CMD線被拉低50ms之內(nèi)向主機(jī)發(fā)送

數(shù)據(jù)“010”，確認(rèn)引導(dǎo)模式。

當(dāng)引導(dǎo)數(shù)據(jù)全部發(fā)送到主機(jī)后，引導(dǎo)操作將結(jié)束。在執(zhí)行引導(dǎo)操作之后，主機(jī)需要通過(guò)發(fā)送CMD1，啟動(dòng)eMMC的正常初始化流程。

15eMMC基礎(chǔ)知識(shí)介紹5/9/2024eMMC啟動(dòng)流程

4、替代的引導(dǎo)操作

如果啟用了引導(dǎo)模式，并且檢測(cè)到CMD線維持在高電平74個(gè)時(shí)鐘周期后，收到了參數(shù)為0xFFFFFFFA的CMD0命令，eMMC同樣會(huì)進(jìn)入引導(dǎo)模式，并開(kāi)始準(zhǔn)備向主機(jī)發(fā)送引導(dǎo)數(shù)據(jù)。

16eMMC基礎(chǔ)知識(shí)介紹5/9/2024eMMC啟動(dòng)流程

5、idle狀態(tài)

eMMC在退出引導(dǎo)模式后，會(huì)進(jìn)入到設(shè)備識(shí)別模式中的idle狀態(tài)。如果沒(méi)有啟用引導(dǎo)模式，上電、硬件重置或軟件重置后，都會(huì)使eMMC進(jìn)入Idle狀態(tài)。

在idle狀態(tài)下，eMMC會(huì)進(jìn)行內(nèi)部初始化，此時(shí)主機(jī)需要持續(xù)發(fā)送CMD1命令，查詢eMMC是否已經(jīng)完成初始化，同時(shí)確認(rèn)eMMC的工作電壓和尋址模式。

主機(jī)發(fā)送的CMD1命令中，包含了主機(jī)所支持的工作電壓和尋址模式信息，eMMC在接收到這些信息后，會(huì)進(jìn)行匹配。如果eMMC和主機(jī)所支持的工作電壓和尋址模式不匹配，那么eMMC會(huì)進(jìn)入Inactive狀態(tài)。

要訪問(wèn)已經(jīng)處于Inactive狀態(tài)的eMMC，主機(jī)就必須通過(guò)關(guān)斷并重開(kāi)電源來(lái)進(jìn)行硬復(fù)位。

17eMMC基礎(chǔ)知識(shí)介紹5/9/2024eMMC啟動(dòng)流程

5、設(shè)備識(shí)別模式

eMMC完成內(nèi)部初始化后，會(huì)進(jìn)入Ready狀態(tài)。主機(jī)可以通過(guò)發(fā)送CMD2廣播命令獲取總線上所有進(jìn)入Ready狀態(tài)的eMMC的CID。

總線上所有處于Ready狀態(tài)的eMMC在接收到CMD2后，都會(huì)發(fā)送其CID，同時(shí)逐比特地監(jiān)視其輸出的比特流，那些在任何一個(gè)比特周期內(nèi)，輸出的CID比特與CMD線上相應(yīng)比特不匹配的設(shè)備，會(huì)立即停止發(fā)送其CID，并等待下一個(gè)識(shí)別循環(huán)。由于每張eMMC的CID都是唯一的，因此最后只會(huì)有一張eMMC能成功地發(fā)送完整的CID到主機(jī)，并進(jìn)入到Identification狀態(tài)。

接下來(lái)，主機(jī)發(fā)送CMD3賦予這個(gè)eMMC一個(gè)相對(duì)設(shè)備地址（RCA）

，使設(shè)備進(jìn)入到Stand-by狀態(tài)

。

到這里，主機(jī)就可以對(duì)eMMC進(jìn)行正常的讀寫(xiě)操作了。

18eMMC基礎(chǔ)知識(shí)介紹5/9/2024eMMC傳輸模式

主機(jī)可以通過(guò)命令CMD7，將指定的eMMC從Stand-by狀態(tài)切換到Transfer狀態(tài)，然后對(duì)eMMC進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

主機(jī)向eMMC發(fā)送讀取命令后，eMMC會(huì)根據(jù)命令參數(shù)，向主機(jī)發(fā)送對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊，發(fā)送結(jié)束后，eMMC會(huì)重新進(jìn)入Transfer狀態(tài)。

主機(jī)向eMMC發(fā)送寫(xiě)入命令后，eMMC會(huì)根據(jù)命令參數(shù)，接收從主機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)塊，每接收一個(gè)數(shù)據(jù)塊，eMMC都會(huì)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)無(wú)誤后，eMMC會(huì)進(jìn)入Pr