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1、eMMC基础知识介绍,主要内容eMMC的基本概念eMMC总线和寄存器的相关介绍eMMC的工作模式,什么是eMMC,eMMC全称是Embedded Multi Media Card（嵌入式多媒体卡）由一个嵌入式存储解决方案组成，带有MMC接口、NAND Flash以及MMC控制器，这些结构都被封装在一个小型BGA中。简单的来说，eMMC=NAND Flash + MMC控制芯片 + MMC标准接口。,eMMC的优势,eMMC在内部集成了存储控制器，其中包含了协议、擦写均衡、坏块管理、ECC校验、电源管理、时钟管理、数据存取等功能。相比于直接将NAND Flash接入到主机进行使用，eMMC屏蔽了
2、NAND Flash的物理特性，这样减少了主机端软件的复杂度，让主机端专注于上层业务，省去了对NAND Flash 的特殊处理。同时，eMMC还运用了缓存、存储阵列等技术，在读写性能上也比NAND Flash要好很多。 因此，eMMC也逐渐成为了目前最常用的移动设备本地存储解决方案。,eMMC与SD的关系,eMMC和SD的技术本质是一样的，都是从MMC规范演化而来,使用相同的总线规范； eMMC强调的是多媒体存储（MM，Multi Media）； SD强调的是安全和数据保护（S，Secure）；,目前eMMC协议规范最新的版本是JESD84-B51，它规范了总线接口以及控制芯片，而对在系统架构
3、中的主机和存储阵列部分的内容并没有未完全规定。,eMMC协议规范,eMMC总线,eMMC的总线由11条信号线组成，一条时钟信号线（CLK），一条数据选通信号线（ Data Strobe ），一条命令信号线（CMD），八条数据信号线（DAT-7）。,CLK用于从主机输出时钟信号，进行数据传输的同步和设备运作的驱动。在一个时钟周期内，CMD和DAT0-7上都可以支持传输 1 bit数据，即SDR（Single Data Rate）模式。此外，DAT0-7信号还支持配置为DDR （Double Data Rate）模式，在一个时钟周期内，可以传输 2 bits数据。,Data Strobe是在eMM
4、C 5.0中引入的一根时钟信号线。它是由eMMC发送给主机的，且频率与时钟线相同，用于和主机端进行数据接收的同步。该信号线只能在HS400模式下配置启用，启用后可以提高数据传输的稳定性。CMD线是双向命令通道信号线，用于主机向eMMC发送命令以及eMMC向主机回传应答。CMD线在上电后都是保持高电平状态，因此命令和应答数据的起始位都是“0”。下图就是命令和应答的具体格式。,eMMC总线,命令格式,应答格式,eMMC总线,DAT线用于主机和eMMC之间的数据传输。在设备上电或者软复位后，只有DAT0可以进行数据传输，在eMMC完成初始化后，可通过命令CMD6配置DAT0-3或者DAT0-7进行数
5、据传输，即将eMMC配置为 4 bits或者8 bits传输模式。但所有的传输模式下，数据块的结构都是大致相同的，都是由起始位“0”，数据，CRC16和停止位“1”这四部分组成的。以下是在不同传输模式下，数据块的格式。,1bit SDR模式,4bits SDR模式,8bits SDR模式,eMMC总线,在双倍数据率模式下，DAT线在时钟的上升沿和下降沿都会传输数据，其中上升沿传输数据的奇数字节 （Byte 1,3,5 .），下降沿则传输数据的偶数字节（Byte 2,4,6 .），每条DAT线上都有两个相互交织的CRC16，上升沿的CRC比特组成 odd CRC16，用于校验该DAT线上所有上升
6、沿比特组成的数据。下降沿的CRC比特组成even CRC16，用于校验该DAT线上所有下降沿比特组成的数据。,8bits DDR模式,4bits SDR模式,eMMC传输速率,随着eMMC协议的版本迭代，eMMC总线的速率越来越高。为了兼容旧版本的设备，所有设备在上电或者重启后，都会先进入兼容速率模式。在完成设备的初始化后，主机可以通过命令CMD6，让设备进入其他高速率模式。目前eMMC支持的传输速率如下表所示。,主机就是通过命令对控制芯片的寄存器进行读写，来完成对eMMC的操作。控制芯片的寄存器主要有以下部分：OCR，工作条件寄存器，存放设备的电压信息概况和访问模式；CID，设备识别寄存器，
7、存放设备在识别阶段所使用到的设备识别信息。每个设备都有一个独一无二的识别号；RCA，相对地址寄存器，存放设备在识别阶段主机分配的设备地址。此地址用于设备识别之后主机与设备之间的寻址通讯；CSD，数据寄存器，寄存着设备内容访问方式的信息，其中定义了数据格式、读写数据块的大小、最长数据访问时间、数据传输速度、DSR寄存器是否可用等。EXT_CSD，扩展数据寄存器，定义了设备属性和选定的模式。它长512 字节，高320位字节是属性段，定义了设备能力，不能被主机更改。低192位字节是模式段，定义了设备的工作配置。主机可以被通过SWITCH命令（CMD6）改变这些配置。DSR，驱动寄存器，用于扩展操作条
8、件以提高总线性能（取决于总线长度、传输速率或设备数等参数）。QSR，队列状态寄存器，存储着在特定时间点队列中的任务状态。,eMMC控制芯片,eMMC标准中，内部的存储空间被划分为了4类区域，最多可以支持8个硬件分区。引导分区,存储引导信息；RPMB分区,存储一些有防止非法篡改需求的数据，如：手机上指纹支付相关的公钥、序列号等；通用分区, 属于可选分区，可以为分区设置一些额外的属性，比如：提高该分区的读写性能、寿命以及稳定性或者将这些用来作为存放操作系统类的、很少进行擦写更新的分区等。用户数据分区；,eMMC分区,eMMC启动流程,1、上电eMMC上电后，会进入到pre-idle状态，除此之外，
9、eMMC还可以通过以下两种方法进入到pre-idle状态1）软件复位，设备收到从主机发来的GO_PRE_IDLE_STATE命令（参数为 0 xF0F0F0F0的CMD0）；2）硬件复位，可以通过主机拉高RST_n信号线来触发。、eMMC确认是否需要进入引导模式eMMC的寄存器位BOOT_PARTITION_ENABLE（EXT_CSD byte 179）中有引导配置。eMMC可以通过这些配置确认是否需要进入引导模式以及引导分区。如果没有启用引导模式，那么eMMC将直接进入到idle状态。,eMMC启动流程,3、eMMC进入引导模式如果启用了引导模式，并且检测到CMD线被拉低了74个时钟周期后
10、，eMMC就会进入引导模式，并开始准备向主机发送引导数据。在CMD线被拉低1秒之内，eMMC开始在DAT线上向主机发送引导数据。主机在读取引导数据时，必须保持CMD线为低。如果eMMC启用了引导确认，那么eMMC必须在CMD线被拉低50ms之内向主机发送 数据“010”，确认引导模式。当引导数据全部发送到主机后，引导操作将结束。在执行引导操作之后，主机需要通过发送CMD1，启动eMMC的正常初始化流程。,4、替代的引导操作 如果启用了引导模式，并且检测到CMD线维持在高电平74个时钟周期后，收到了参数为0 xFFFFFFFA的CMD0命令，eMMC同样会进入引导模式，并开始准备向主机发送引导数
11、据。,eMMC启动流程,eMMC启动流程,5、idle状态eMMC在退出引导模式后，会进入到设备识别模式中的idle状态。如果没有启用引导模式，上电、硬件重置或软件重置后，都会使eMMC进入 Idle状态。在idle状态下，eMMC会进行内部初始化，此时主机需要持续发送 CMD1命令，查询eMMC是否已经完成初始化，同时确认eMMC的工作电压和寻址模式。 主机发送的CMD1命令中，包含了主机所支持的工作电压和寻址模式信息，eMMC在接收到这些信息后，会进行匹配。如果 eMMC和主机所支持的工作电压和寻址模式不匹配，那么eMMC会进入 Inactive状态。要访问已经处于Inactive状态的e
12、MMC，主机就必须通过关断并重开电源来进行硬复位。,eMMC启动流程,5、设备识别模式eMMC完成内部初始化后，会进入Ready状态。主机可以通过发送CMD2广播命令获取总线上所有进入Ready状态的eMMC的CID。总线上所有处于Ready状态的eMMC在接收到CMD2后，都会发送其CID，同时逐比特地监视其输出的比特流，那些在任何一个比特周期内，输出的CID比特与CMD线上相应比特不匹配的设备，会立即停止发送其CID，并等待下一个识别循环。由于每张eMMC的CID都是唯一的，因此最后只会有一张eMMC能成功地发送完整的CID到主机，并进入到Identification状态。 接下来，主机发
13、送CMD3赋予这个eMMC一个相对设备地址（RCA） ，使设备进入到Stand-by状态 。到这里，主机就可以对eMMC进行正常的读写操作了。,eMMC传输模式,主机可以通过命令CMD7，将指定的eMMC从Stand-by状态切换到Transfer状态，然后对eMMC进行读写操作。主机向eMMC发送读取命令后，eMMC会根据命令参数，向主机发送对应的数据块，发送结束后，eMMC会重新进入Transfer状态。主机向eMMC发送写入命令后，eMMC会根据命令参数，接收从主机发来的数据块，每接收一个数据块，eMMC都会进行CRC校验，校验无误后，eMMC会进入Programming状态，将数据块烧录进NAND Flash里，同时还会将DAT0信号拉低，直到烧录结束。烧录结束后，eMMC返回到Transfer状态。,eMMC传输模式,主机从eMMC读取数据的流程图。,eMMC传输模式,主机从eMMC写入数据的流程图。,Thank you !,
