Linux MMC子系统 - 1.eMMC简介

By: Ailson Jack
Date: 2023.10.21
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前言

下面首先简单的介绍了MMC，SD和SDIO，对这些名词有个概念即可。

从本文开始会重点讲讲eMMC相关的内容（Linux MMC子系统系列文章介绍的eMMC协议为：eMMC 5.1协议），对eMMC相关的知识有了一定的了解之后，后续文章也会对Linux的MMC子系统做一个介绍，包括MMC子系统的初始化过程，MMC host驱动与host设备是如何匹配的，MMC host驱动的基本框架，MMC驱动和MMC卡设备是如何关联起来的，MMC子系统是如何实现块设备驱动的等等。

对于MMC卡，SD卡或者SDIO接口的设备，Linux MMC子系统同样适用。

好了，废话不多说，下面开始本文的内容吧。

MMC SD SDIO介绍

MMC

多媒体卡（MMC）全称Multi Media Card，是由西门子公司和SanDisk公司于1997年推出的多媒体记忆卡标准。MMC卡尺寸为32mm x 24mm x 1.4mm，它将存储单元和控制器一同做到了卡上，这种携带方便、可靠性高、重量轻的数据载体一经推出，市场占有率不断上升，广泛应用于移动电话，数码相机，MP3等产品。

MMC卡具有MMC和SPI两种工作模式，MMC模式是默认工作模式，具有MMC的全部特性。而SPI模式则是MMC协议的一个子集，主要用于低速系统。

SD

SD卡（Secure Digital Memory Card）是一种基于半导体快闪存记忆器的新一代记忆存储设备。SD卡是由松下、东芝和SanDisk公司于1999年8月共同开发的新一代记忆卡标准，已完全兼容MMC标准。SD卡比MMC卡多了一个进行数据著作权保护的暗号认证功能。

SD卡尺寸为32mm x 24mm x 2.1mm，长宽和MMC卡一样，只是比MMC卡厚了0.7mm，以容纳更大容量的存储单元。SD卡与MMC卡保持向上兼容，也就是说，MMC卡可以被新的设有SD卡插槽的设备存取，但是SD卡却不可以被设有MMC插槽的设备存取。

SDIO

SDIO全称为Secure Digital Input and Output，中文名称为：安全数字输入输出接口。SDIO是在SD标准上定义的一种外设接口，它使用SD的I/O接口来连接外围设备，并通过SD上的I/O数据接口与这些外围设备传输数据。现在已经有很多手持设备支持SDIO接口，而且许多SDIO外设也被开发出来，目前常见的SDIO外设有：WIFI Card、GPS Card、 Bluetooth Card等等。

eMMC介绍

eMMC卡全称为Embedded Multi Media Card，是MMC协会所制定的内嵌式存储器标准规格。通俗点讲，eMMC就是一个类似于SD卡一样的存储芯片。eMMC主要应用于智能手机和平板电脑等产品。eMMC在封装中集成了一个控制器，提供标准接口来管理闪存，使得产品开发过程中不再需要考虑NAND Flash兼容性问题和管理问题，让产品开发人员能够专注于产品开发，缩短产品推向市场的时间。

eMMC整体结构

eMMC的整体结构如下图所示：

eMMC主要由设备控制器和存储阵列组成。设备控制器主要提供主机接口和存储管理功能。

eMMC主机接口

HOST和eMMC之间的接口连接如下图所示：

eMMC与HOST之间的通信涉及的信号线描述如下：

• CLK：时钟线上的每个时钟周期，意味着命令线上传输了1bit命令，或者数据线上完成了1bit或者2bit的数据传输。时钟频率的范围为：0~最大时钟频率。
• CMD：该信号线主要用于传输HOST到eMMC的command和eMMC到HOST的response。
• DAT0-DAT7：用于传输数据的8bit数据线。在上电或者复位以后，仅仅只有DAT0数据线可以用于数据传输。可以通过eMMC主机控制器来配置eMMC的数据总线位宽，eMMC支持的数据线宽度有：1bit（DAT0），4bit（DAT0-DAT3），8bit（DAT0-DAT7）。
• Data Strobe：该信号是从eMMC设备输出给Host的时钟信号，频率和CLK信号相同，用于Host进行接收数据的同步。该信号只在HS400模式下使用，启用后可以提高数据传输的稳定性，省去总线tuning过程。

HOST和eMMC之间的通信都是以HOST发送一个Command给eMMC开始的，eMMC对于收到的不同Command会做出不同的response，当然了eMMC对于收到的部分Command可以不做response。

聊了这么久的eMMC，到底eMMC长什么样，大多数的eMMC芯片一般是黑色的外观，来欣赏下某厂商的eMMC芯片外观图：

大多数的eMMC芯片一般采用BGA封装，下图是某厂商的BGA封装的eMMC芯片引脚图：

eMMC接口各个引脚的输入输出类型以及相关描述可以参考下图进行理解：

eMMC存储阵列

eMMC的存储阵列是由非易失性的存储器组成，目前，绝大多数eMMC芯片内部的存储器都是由Nand Flash组成的。

在智能手机或者其他嵌入式设备中，可以使用eMMC的存储阵列来存放操作系统，应用数据等信息。

eMMC存储管理

eMMC芯片内部的设备控制器具有存储管理功能，主要用于对Nand Flash的管理，包括：擦写均衡，坏块管理，ECC校验等。相比于直接将NAND Flash连接到Host端，采用eMMC芯片屏蔽了NAND Flash的物理特性，可以减少Host端软件的复杂度，让Host端专注于上层业务，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。

eMMC寻址

以前实现的eMMC协议（比如eMMC 4.1协议）采用的是32位域的字节寻址。这种寻址机制限制了eMMC的最大容量为2GB。

为了支持更大容量的eMMC，后续的eMMC协议（比如eMMC 5.1协议）增加了sector寻址方式（1 sector=512B）。容量大于2GB的eMMC，都是采用sector寻址的方式。

为了确定eMMC的寻址模式，主机可以读取eMMC的OCR寄存器，通过OCR寄存器的bit[30:29]可以知道eMMC的寻址模式。

eMMC速率模式

随着eMMC协议的不断更新，eMMC总线的速率越来越高。为了兼容旧版本的eMMC，所有eMMC在上电启动或者Reset后，都会先进入兼容速率模式（Backwards Compatibility with legacy MMC card）。在完成对eMMC的初始化后，Host可以通过特定的流程，让eMMC进入其他高速率模式，目前支持以下几种速率模式。

Extended CSD寄存器的HS_TIMING[185]，可以配置总线速率模式。

Extended CSD寄存器的BUS_WIDTH[183]，可以配置配置总线宽度和Data Strobe。

在一个时钟周期内，DAT0~DAT7信号线上传输1个比特时，就是SDR（Single Data Rate）模式。

在一个时钟周期内，DAT0~DAT7信号线上传输2个比特时，就是DDR（Double Data Rate）模式。

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