【正点原子FPGA连载】第十五章eMMC读写测试实验 摘自【正点原子】DFZU2EG_4EV MPSoC之嵌入式Vitis开发指南

1）实验平台：正点原子MPSoC开发板
2）平台购买地址：https://detail.tmall.com/item.htm?id=692450874670
3）全套实验源码+手册+视频下载地址： http://www.openedv.com/thread-340252-1-1.html

第十五章eMMC读写测试实验

eMMC是一种嵌入式多媒体存储卡，它具有存储容量大、传输速度快、易于使用等优点，主要应用于对存储容量有较高要求的消费电子产品，如智能手机、平板电脑和车载导航等。本章我们将使用MPSOC开发板学习如何对eMMC卡进行读写操作。
本章包括以下几个部分：
1515.1简介
15.2实验任务
15.3硬件设计
15.4软件设计
15.5下载验证

15.1简介

eMMC的英文全称是Embedded Multi Media Card，即嵌入式多媒体卡（又叫嵌入式存储卡），eMMC是MMC协会所订立的内嵌式存储器标准规格，主要是针对手机或者平板电脑为主，是一种非易失性的存储器件。
eMMC采用统一的MMC标准接口，把高密度的NAND Flash以及Device Controller（也叫Flash控制器）封装在一颗BGA芯片中，从而减少了对PCB主板空间的占用。Flash控制器用于对Flash进行管理，相比于直接将NAND Flash接入到Host端（MPSOC开发板），eMMC 屏蔽了NAND Flash的物理特性，可以减少Host端软件的复杂度，让Host端专注于应用，省去对NAND Flash进行特殊的处理。同时，eMMC通过使用Cache、Memory Array等技术，在读写性能上也比NAND Flash要好很多。
正是由于eMMC采用统一的MMC标准接口，使得我们可以像操作SD卡一样操作eMMC，SD卡和eMMC的接口和传输协议类似，只不过SD卡是一种外置卡，方便插拔；而eMMC是直接焊接在主板上，其连接性更为可靠，读写速率也更高。所以，eMMC更像是直接焊接在主板上的SD卡，我们甚至能看到，有些网友将废旧手机上的eMMC拆下，飞线到读卡器卡槽中，把eMMC当成TF卡来使用。
MPSOC开发板板载的eMMC芯片型号是KLM8G1GETF，存储容量为8GByte，可以用于存储一些用户数据，其和MPSOC开发板的连接示意图如下：

图 15.1.1 MPSOC开发板和eMMC连接示意图
CLK：时钟信号，用于对命令和数据进行同步。
RST：复位信号。
CMD：双向信号，用于对器件进行初始化和传输命令。
DAT0~7：双向数据信号。
随着eMMC协议的版本迭代，eMMC总线的速率也越来越高。为了兼容旧版本的eMMC Device，所有Devices在上电启动或者Reset后，都会先进入兼容速率模式（Backward Compatible Mode）。在完成eMMC Devices的初始化后，Host可以通过特定的流程，让Device进入高速率模式。在兼容速率模式下，eMMC的时钟频率范围是0~26Mhz；而在高速率模式下，时钟频率最高可达200Mhz。
eMMC为并行数据接口，且为半双工通信，如果想提高传输速率，需要提高时钟和数据的频率。由于eMMC是并口，快速并行接口同步就是一个瓶颈了，即便同步问题解决了，信号之间的串扰也是无法避免的。因此对于更高带宽传输的场景，一般采用UFS（Universal Flash Storage，通用闪存存储），UFS闪存是基于串行数据传输技术打造，其内部存储单元与主控之间虽然只有两个数据通道，但由于采用串行数据传输，其实际数据传输时速远超基于并行技术的eMMC闪存。此外UFS闪存支持的是全双工模式，所有数据通道均可以同时执行读写操作，在数据读写的响应速度上也要凌驾于eMMC闪存，但同时其成本也更高。

15.2实验任务

本章的实验任务是通过Xilinx Vitis自带的FATFS库，完成对eMMC读写的功能，并将读写测试结果通过串口打印出来。

15.3硬件设计

我们的MPSOC开发板上板载了一个eMMC（U16），原理图如下图所示：

图15.3.1 eMMC原理图
图中的U19A是KLM8G1GETF芯片原理图中的一部分，由于eMMC的引脚较多，且大多数为没有用到的引脚（NC），因此这里仅贴出关键引脚的原理图。由上图可知，eMMC共8个数据IO。另外eMMC的IO电平(VCC_PSAUX)为1.8V。
从实验任务我们可以画出如下的系统框图，DDR中存放和运行程序、SD控制器驱动eMMC，UART实现串口通信。

图15.3.2 系统框图
由系统框图可知，本次实验和“SD卡读写TXT文本实验”相比，只是将TF卡替换成eMMC，因为eMMC的MMC接口的驱动时序和SD卡非常类似，我们完全可以像驱动SD卡一样驱动eMMC，并且eMMC也是支持FATFS文件系统的。所以上图是在MPSOC嵌入式最小系统的基础上，添加了SD控制器，用于驱动eMMC。需要说明的是，eMMC连接的是PS的MIO端口，因此本次实验没有用到PL的资源。
我们直接在“Hello World实验”的基础上，将工程另存为“emmc_rw”工程。
这里简单介绍下Zynq Ultrascale+ MPSOC的配置界面，如图所示。配置界面选择的是SD0 MIO13…22，接口类型(Slot Type)选择的是eMMC，Data Transfer Mode选择8bit，并勾选复位引脚，如下图所示：

图15.3.3 SD卡控制器配置界面
需要注意的是，eMMC的引脚连接到MPSOC的Bank0端口，Bank0的IO电压为1.8V，因此在MIO的配置界面将Bank0的电压改为“LVCMOS 1.8V”。
嵌入式系统最终搭建的框图如图15.3.4所示：

图15.3.4 最终原理图界面
最后导出HardWare，并打开Vitis软件。
15.4软件设计
在硬件设计的最后，我们打开了Vitis开发环境。
在菜单栏中选择File->New->Application Project，新建一个名为emmc_rw的Vitis应用工程。
接下来的操作，和“SD卡读写TXT文本实验”一样，甚至软件代码也可以直接拷贝过来，不用做任何修改，故此处不再赘述。
15.5下载验证
首先我们将下载器与开发板上的JTAG接口连接，下载器另外一端与电脑连接。然后使用USB连接线将开发板上的USB_UART接口(PS_PORT)与电脑连接，用于串口通信。eMMC位于ZYNQ FPGA的右下方位置，如下图所示。

图 15.5.1 开发板上的eMMC位置
最后连接开发板的电源，给开发板上电。
软件下载完成后，在下方的Terminal中可以看到应用程序打印的信息“src_str is equal to dest_str, eMMC test success!”，如下图所示：

图 15.5.2 打印eMMC读写测试结果
由上图可知，显示写入的字符和读出的字符一致，说明eMMC读写测试成功。
由于eMMC是焊接在开发板上的，我们不可能像TF卡一样，在电脑上查看是否有创建“ZDYZ.txt”文本，仅从串口中打印的信息可以得知，eMMC读写测试成功。