Linux MMC子系统 - 5.eMMC 5.1工作模式-引导模式

By: Ailson Jack
Date: 2023.11.19
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综述

Host和eMMC设备之间的所有通信都由Host控制。总线上的所有通信都是以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。

eMMC总线协议定义了5种操作工作模式，包括：引导模式（Boot mode），设备识别模式（Device identification mode），数据传输模式（Data transfer mode），中断模式（Interrupt mode），非活动模式（Inactive mode）。各个模式的描述如下：

• 引导模式（Boot mode）：当eMMC设备在上电后或者eMMC设备接收到命令参数为0xF0F0F0F0的CMD0命令或者eMMC设备检测到复位信号时，eMMC设备将处于引导模式（Boot mode）。在引导模式（Boot mode）下，eMMC设备会将boot data发送给Host，boot data的内容通常情况下是系统的引导程序。
• 设备识别模式（Device identification mode）：在boot mode工作模式完成或者eMMC设备不支持boot mode工作模式时，eMMC设备将处于设备识别模式（Device identification mode）。在设备识别模式下，Host会对eMMC设备做一些初始化的工作，比如设置eMMC设备的工作电压，配置eMMC设备的寻址模式，给eMMC设备分配RCA地址等。eMMC设备将一直处于设备识别模式，直到eMMC设备收到SET_RELATIVE_ADDR（CMD3）命令。
• 数据传输模式（Data transfer mode）：一旦eMMC设备的RCA地址被分配之后，eMMC设备就会进入数据传输模式（Data transfer mode），也就是说设备识别模式（Device identification mode）结束之后eMMC设备就直接进入数据传输模式（Data transfer mode）。当Host识别到eMMC总线上的eMMC设备之后，Host也将进入数据传输模式（data transfer mode）。
• 中断模式（Interrupt mode）：Host和eMMC设备同时进入或者退出中断模式（Interrupt mode）。在中断模式下，不会有数据传输。在中断模式下，唯一允许的消息是来自Host或者eMMC设备的中断服务请求。
• 非活动模式（Inactive mode）：当eMMC设备在操作电压范围或者访问的模式无效时，eMMC设备将进入非活动模式（Inactive mode）。Host使用GO_INACTIVE_STATE（CMD15）命令也可以让eMMC设备进入非活动模式（Inactive mode）。eMMC设备在上电后将进入到pre-idle状态。

下图显示了总线模式，操作模式和设备状态之间的关系。每个eMMC设备状态都与一个总线模式和一个操作模式相关联的。

引导模式（Boot mode）

在引导模式下，Host可以从eMMC设备读取boot data，在Host发送CMD1之前，通过保持CMD线为低或者发送参数为0xFFFFFFFA的CMD0命令。boot data可以从boot area或者user area读取，这取决于寄存器的设置。

引导模式包含3个状态，分别是pre-idle状态，pre-boot状态和boot状态。

引导分区（Boot partition）

eMMC设备存在两个引导分区。引导分区的最小容量为128KB。引导分区的容量计算如下：

Maximum boot partition size = 128KB x BOOT_SIZE_MULT

BOOT_SIZE_MULT是EXT_CSD寄存器的[226]字节的内容。

引导分区和用户区域是分开的，如下图所示：

Host可以通过SWITCH（CMD6）命令设置EXT_CSD寄存器的[179]字节（PARTITION_CONFIG域）来选择引导分区。eMMC设备可以被配置为从用户区域引导，通过设置EXT_CSD寄存器[179]字节的BOOT_PARTITION_ENABLE位域的值为111b。EXT_CSD寄存器[179]字节的内容如下：

引导总线宽度和数据访问配置

Host可以通过配置EXT_CSD寄存器的[177]字节（BOOT_BUS_CONDITIONS域）来设置引导模式下的速率模式和总线宽度。BOOT_BUS_CONDITIONS域的内容如下：

在引导模式下，Host通过对BOOT_BUS_CONDITIONS域的配置，可以设置3种速率模式。在引导模式下，eMMC总线支持的速率模式如下：

Mode Name	Data Rate	Bus Width	Frequency	Max Data Transfer (implies x8 bus width)
Backwards Compatibility with legacy MMC card	Single	1, 4, 8	0-26 MHz	26 MB/s
High Speed SDR	Single	1, 4, 8	0-52 MHz	52 MB/s
High Speed DDR	Dual	4, 8	0-52 MHz	104 MB/s

HS200 and HS400 is not supported during BOOT operation.

在引导模式下，Host可以通过对BOOT_BUS_CONDITIONS域的RESET_BOOT_BUS_CONDITIONS位域配置，来选择在退出引导模式后，是复位还是保留当前总线的配置。如果RESET_BOOT_BUS_CONDITIONS的值为0，表示退出引导模式后会复位总线的设置，退出引导模式后总线会被复位为兼容模式（单速率，1bit总线宽度）。如果RESET_BOOT_BUS_CONDITIONS的值为1，表示退出引导模式后会保留引导模式的总线配置。

Host通过配置EXT_CSD寄存器的[177]字节（BOOT_BUS_CONDITIONS域）来设置引导模式的总线配置，Host通过配置EXT_CSD寄存器的[185]字节（HS_TIMING域）和EXT_CSD寄存器的[183]字节（BUS_WIDTH域）来设置其他模式的总线配置。

EXT_CSD寄存器的[177]字节（BOOT_BUS_CONDITIONS域）是非易失性的，掉电之后配置不会丢失。

EXT_CSD寄存器的[185]字节（HS_TIMING域）和EXT_CSD寄存器的[183]字节（BUS_WIDTH域）是易失性的，掉电之后配置会丢失。

引导操作（Boot operation）

在引导模式下，Host有两种方式可以让eMMC设备进入boot state，这两种方式分别定义为Original Boot和Alternative Boot，描述如下：

• Original Boot：拉低CMD信号并保持至少74个时钟周期。

• Alternative Boot：拉高CMD信号并保持至少74个时钟周期后，发送参数为0xFFFFFFFA的CMD0命令。

Host可以通过SWITCH（CMD6）命令设置EXT_CSD寄存器的[179]字节（PARTITION_CONFIG域）的BOOT_ACK位段来选择是否eMMC设备发送boot acknowledge给Host。eMMC设备发送boot acknowledge以便于Host能够识别到eMMC设备处于引导模式。

EXT_CSD寄存器[179]字节的内容如下：

对于Original Boot，如果EXT_CSD寄存器[179]字节的BOOT_ACK设置为1，eMMC设备要在Host触发eMMC设备进入引导模式的50ms内，在DAT[0]数据线上发送"010"格式的boot acknowledge给Host。Original Boot的时序图如下所示：

在引导模式下，拉低CMD信号并保持至少74个时钟周期，eMMC设备会进入boot state。在Host将CMD信号线变为高电平并准备发送下一个命令之前，至少需要56个时钟（8 clocks + 48 clocks）周期间隔。

对于Alternative Boot，如果EXT_CSD寄存器[179]字节的BOOT_ACK设置为1，eMMC设备要在接收到参数为0xFFFFFFFA的CMD0命令的50ms内，在DAT[0]数据线上发送"010"格式的boot acknowledge给Host。Alternative Boot的时序图如下所示：

对于Original Boot或者Alternative Boot，在eMMC设备发送boot acknowledge给Host之后，eMMC设备就会发送boot data给Host。

引导模式下的状态图如下图所示：

从引导模式下的状态图可知：

1、在eMMC设备传输boot data给Host的过程中，Host可以打断数据的传输，提前结束boot state，具体方法如下：

• Original Boot：boot data传输过程中，Host拉高CMD信号；

• Alternative Boot：boot data传输过程中，Host发送参数为0x00000000的CMD0命令；

2、在eMMC设备上电之后，会进入pre-idle状态：

• 当EXT_CSD寄存器的[179]字节（PARTITION_CONFIG域）的BOOT_PARTITION_ENABLE位段的值为0，表示eMMC设备不使能引导功能，此时eMMC设备会直接从引导模式的pre-idle状态进入到设备识别模式的idle状态。
• 当EXT_CSD寄存器的[179]字节（PARTITION_CONFIG域）的BOOT_PARTITION_ENABLE位段的值选择了引导分区，表示eMMC设备使能引导功能，eMMC设备会从引导模式的pre-idle状态进入到引导模式的pre-boot状态。

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