1.eMMC介绍

eMMC（嵌入式多媒体卡，embedded MultiMedia Card）是一种基于NAND闪存的存储技术，广泛应用于智能手机、平板电脑、数码相机、汽车娱乐系统等消费电子产品和嵌入式设备中。与SD卡类似，eMMC通过标准接口与主机连接，但通常是直接焊接在设备主板上，作为内部存储解决方案。它提供较低至中等容量的存储，通常从4GB到128GB不等，能够满足大多数中低端设备的存储需求。eMMC的传输速度相对较快，但其性能不如UFS（通用闪存存储，Universal Flash Storage）等更先进的存储技术，因此在高端设备中逐渐被更高性能的解决方案所替代。尽管如此，eMMC因其制造成本低、技术成熟、接口标准化，依然在一些低端和中端设备中得到广泛应用。它的优势在于较低的成本、较好的兼容性以及适中的性能，尤其适合对存储要求不高、对成本敏感的产品。

2.eMMC设备和系统

2.1eMMC系统概况

eMMC主要包括NAND Flash芯片（Flash内存阵列）、Device Controller芯片（也叫Flash控制器、eMMC控制器）两部分。eMMC规范主要覆盖接口和Flash控制器的行为，对于Flash内存阵列并未做要求，eMMC系统结构如图1所示。

图1 eMMC 系统概况

2.2 存储器寻址

eMMC规范的早期实现（至v4.1的版本）是采用32-bit域实现字节寻址（即存储单元按字节（8位）进行编号。在这种模式下，存储设备的每一个字节都有一个独立的地址，系统通过字节地址来直接访问存储器中的数据）。的。这种寻址 机制允许最大2 GB的eMMC容量。 为了支持更大的容量，寻址机制升级到支持扇区寻址（每个扇区都有一个唯一的地址，系统通过扇区地址来访问数据，最高支持4k扇区）。对所有容量大于 2 GB 的设备应使用扇区地址。要确定所用的寻址模式，主机应读取OCR寄存器的bit [30:29]。

2.3 eMMC 设备概况   

eMMC设备通过可配置的数据总线信号数传输数据。通讯信号有：

CLK：此信号的每一周期控制命令线上的1 bit传输，以及所有数据线上1 bit（1x） 或2 bit（2x）传输。频率可从0至最高时钟频率之间改变。

CMD：此信号是双向命令通道，用于设备初始化和命令传输。CMD信号有两种工 作模式：用于初始化模式开漏模式和快速命令传输推拉模式。命令从eMMC主机 控制器发往设备，应答从设备发往主机。

DAT0-DAT7：这些是双向的数据通道。DAT信号以推拉模式工作。一个时间内只有设备或主机驱动这些信号。缺省的，在上电或复位后，只有DAT0用于数据传 输。可以通过eMMC主机控制器配置更宽的数据总线来进行数据传输，采用DAT0 - DAT3 或DAT0 - DAT7。eMMC设备在数据线DAT1 - DAT7上内含上拉。 在 进入4-bit 模式后，设备立即断开DAT1、DAT2和DAT3线的内部上拉。相应地， 在进入8-bit模式后，设备立即断开DAT1 – DAT7线的内部上拉。eMMC接口信号在表中说明。

表1 eMMC 接口

2.4 总线速度模式

eMMC 定义了几种总线速度模式。表2汇总了各种模式。

表2 eMMC总线速度模式

3.eMMC 功能说明

3.1 eMMC操作模式

主机和设备之间的所有通讯都由主机控制。主机发送命令，引起设备的应答。 在eMMC系统（主机和设备）定义了5种操作模式：

 引导模式： 上电周期后，接受参数为0xF0F0F0F0的CMD0或硬件复位信号有效，设备处于引导 模式。

设备识别模式 在引导模式结束或主机、设备不支持引导操作模式时，设备处于设备识别模式。设备将 在此模式下，直至接收到SET_RCA命令（CMD3）。

 中断模式 主机与设备同时进入中断模式。在中断模式下没有数据传输。唯一允许的消息是来自主 机或设备的中断服务请求。

数据传输模式 一旦分配了RCA，设备就进入数据传输模式。主机在识别总线上的设备后即进入数据 传输模式。

非活动模式 如果设备工作电压范围或访问模式无效，则设备进入非活动模式。设备也可以通过使用 GO_INACTIVE_STATE命令（CMD15）进入非活动模式。上电周期后，设备将复位到Pre- idle 模式。

下表显示了总线模式、工作模式和设备状态的关系。eMMC状态图中的每一种状态都关联到一种总线模式和一种工作模式。

表3总线模式概况

3.2 引导工作模式

在引导工作模式下，主机可以通过保持CMD线低电平或在发送CMD1 之前发送有0xFFFFFFFA 参数的 CMD0，从从机（eMMC设备）读取数据。数据可以从引导区或用户区读取，取决于寄存器设置。

设备可以通过下列4个机制之一进入Pre-idle状态：

a)被主机上电后，设备（即使是处于Inactive状态）处于eMMC模式，并进入Pre-idle 状态。

b)GO_PRE_IDLE_STATE 命令（参数为0xF0F0F0F0的CMD0）是软件复位命令，并 将设备置入Pre-idle状态。

c)硬件复位可被主机用于复位设备，将设备送入Pre-idle状态并禁止在复位发生前设置为 上电期间写保护的块取消上电期间写保护。

d)当设备在sleep状态接收到GO_PRE_IDLE_STATE命令（参数为0xF0F0F0F0的 CMD0）或硬件复位信号生效，设备也进入Pre-idle状态。图2 为eMMC引导模式的状态图

图2 eMMC 状态图（引导模式）

3.3设备识别模式

在设备识别模式下，主机复位设备，验证工作电压范围和访问模式，识别设备并为总线 上的设备分配相对设备地址（RCA）。在设备识别模式下的所有数据通讯都仅采用命令线 CMD。

在接收到命令GO_IDLE_STATE（参数为0x00000000的CMD0）之后，设备进入Idle 状态。

以下为设备进入Idle状态的其他情况：

a)完成引导操作之后

b)在pre-idle 下，CMD线路低电平持续时间小于74个时钟后

c) 上电之前设备未使能引导模式

在此情况下，设备输出总线驱动器处于高阻状态，且设备初始化为缺省的相对设备地址 （0x0001）和缺省的驱动器状态寄存器设置。参数为0x00000000的CMD0在除Inactive的所有状态下都是有效的。在Inactive状态下，设备不接受参数为0x00000000的CMD0。为了向后兼容，在除Inactive的任何状态下如果设备接收到参数为0xFFFFFFFA或 0xF0F0F0F0 以外的CMD0，设备将其按照设备复位命令来处理，并进入Idle状态。参数 为0xFFFFFFFA的CMD0是Pre-boot状态下的引导初始化命令，但如果主机在除Inactive 状态和Pre-boot状态之外的任何状态下发送此命令，设备将其按照设备复位命令来处理， 并进入Idle状态。图3为eMMC 设备识别模式状态图。

图3 eMMC 状态图（设备识别模式）

3.4 中断模式

eMMC 系统的中断模式使主机能够向从机（设备）授予同时传输的许可。这种模式减 少了主机轮询的负担，因而降低了系统功耗，同时保持了主机对设备服务请求的足够的责任。 支持eMMC中断模式是可选的，对主机和设备都是如此。 中断模式下的系统行为在图4的状态图中描述。

在发送GO_IRQ_STATE（CMD40）之前，主机必须保证设备是处于Stand-By状态。 当等待设备的中断应答时，主机必须保证时钟信号有效。时钟频率可以根据所需的应答 时间改变。 主机利用GO_IRQ_STATE（CMD40）命令将设备置于中断模式。处于Wait-IRQ 状态的设备一直在等待一个内部的中断触发事件。一旦该事件发生，该设备开始向主机发送其应答。此应答以开漏模式发送。在等待内部中断事件的同时，设备也等待命令线上的起始位。一旦检测到起始位，设备就放弃中断模式并切换到stand-by状态。无论赢得还是失去了总线控制，设备都要在CMD40应答期间切换到stand-by状态（与CMD2相反）。 接收到中断应答后，主机返回到标准通讯例程。

如果主机想在接收到中断应答之前结束中断模式，它可以利用保留的RCA地址0x0000 自己生成CMD40应答（设备比特 = 0）；这将使设备从Wait-IRQ状态回到stand-by 状态。现在主机就可以恢复到标准通讯例程了。

图4 eMMC 状态转换图（中断模式）

3.5数据传输模式

当设备处于stand-by状态，在CMD和DAT线上的通讯都将以推拉模式执行。主机发送SEND_CSD（CMD9）来获取设备专用数据（CSD寄存器），如块长度、设备存储容量、最大时钟速率等等。 广播命令SET_DSR（CMD4）配置设备的驱动器段。它编程其DSR寄存器以便与应用 总线布局（长度）和数据传输频率相适应。

当设备处于Stand-by状态时，CMD7被用于通过参数中包含设备的相对地址来选定设 备并将其置于Transfer状态。如果设备此前已经被选定并处于Transfer状态，则当CMD7 通过参数中不等于该设备自己相对地址的任意地址来取消选定时，它与主机的连接被释放， 并返回 Stand-by 状态。当 CMD7 以保留的相对设备地址 0x0000 发送时，该设备返回 Stand-by 状态。处于Transfer 状态的设备接收到有设备自己的相对地址的CMD7时，将忽略该命令，也可能当作非法命令来处理。在设备被分配了一个RCA之后，就不再应答识别命令——CMD1、CMD2和CMD3。

当设备处于Disconnect状态时，CMD7被用通过参数中包含设备的相对地址来将设备 置入Programming状态。如果设备此前已经被选定并处于Programming状态，则当CMD7 通过参数中不等于该设备自己相对地址的任意地址来取消选定时，它与主机的连接被释放，并返回Disconnect 状态。处于 Programming 状态的设备接收到有设备自己的相对地址的 CMD7时，将忽略该命令，也可能当作非法命令来处理。

图5为 eMMC 数据传输模式的状态转换图。

图5  eMMC 状态转换图（数据传输模式）

3.6 命令

 定义了4种命令来控制eMMC：

a)无应答广播命令（bc）

b）有应答广播命令（bcr）

c)寻址（点对点）命令（ac），无DAT线数据传输

d)寻址数据传输（点对点）命令（adtc），数据在DAT线传输

所有命令和应答都通过eMMC总线的CMD线发送。命令发送总是从对应于命令编码的比特串最左比特开始。

eMMC命令格式如表4所示，所有命令都为固定的48-bit编码长度。

表4 命令格式

命令详细说明

下列各表详细定义了所有eMMC总线命令。

表5基本命令和流读命令（Class 0 和Class 1）

表6块读命令（Class 2）

4.设备寄存器

 在设备接口内部定义了6个寄存器：OCR、CID、CSD、EXT_CSD、RCA和DSR。 这些寄存器只能用相应的命令来访问。OCR、CID、CSD承载了设备和内容专有信息，而RCA和DSR寄存器是配置寄存器，存储实际的配置参数。EXT_CSD寄存器承载设备专有信息和实际配置参数。

4.1 OCR 寄存器

32 比特的工作条件寄存器（OCR）寄存着设备的VDD电压概况和访问模式指示。另 外，此寄存器包括一个状态信息位。此状态位当设备上电例程结束时置位。所有设备均应实现OCR寄存器。

表7  OCR寄存器定义

4.2 CID 寄存器

 设备识别寄存器（CID）长度128 bit。它保存了设备识别阶段（eMMC 协议）所用的 设备识别信息。每一张Flash或I/O设备都有一个独一无二的识别号。eMMC ROM设备的每个类型（由内容定义）都应有一个独一无二的识别号。表8列出了这些识别符。

表8 CID域

4.3 CSD 寄存器

 设备专用数据寄存器（CSD）提供设备内容访问方式的信息。CSD定义了数据格式、 纠错类型、最长数据访问时间、数据传输速度、DSR寄存器是否可用等等。寄存器可编程 的部分（标有W或E的项目，见下）可以用CMD27命令更改。CSD寄存器项目类型编 码如下： R: W: R/W: W/E: R/W/E: R/W/C_P: R/W/E_P: W/E_P: 只读 可一次编程且不可读 可一次编程且可读 可多次写，其值在掉电、硬件复位和任何CMD0复位后保持，不可读 可多次写，其值在掉电、硬件复位和任何CMD0复位后保持，可读 在掉电和硬件复位清除值后（值不被CMD0复位清除）可写，可读 可多次写，其值在掉电、硬件复位和任何CMD0复位后复位，可读 可多次写，其值在掉电、硬件复位和任何CMD0复位后复位，不可读

4.4 扩展CSD寄存器

扩展CSD寄存器定义了设备属性和选定的模式。它长512字节。高320字节是属性段， 定义了设备能力，不能被主机更改。低192字节是模式段，定义了设备的工作配置。这些 模式可以被主机通过SWITCH命令改变。

4.5 RCA 寄存器

可写的16-bit 设备相对地址（RCA）寄存器，载有在设备识别期间主机分配的设备地 址。此地址用于设备识别例程之后寻址的主机-设备通讯。RCA寄存器缺省值是0x0001。 值0x0000是为将所有设备以CMD7置于Stand-by状态而保留的。

4.6 DSR 寄存器

16-bit 驱动器段寄存器（DSR）它可选地用于扩展操作条件以提高总线性能（取决于总线长度、传输速率或设备数等参数）。CSD寄存器载有有关DSR 寄存器使用的信息。DSR寄存器的缺省值是0x404。

5.错误保护

CRC 用来保护eMMC命令、应答和数据传输来防止eMMC总线上的传输错误。为每 一条命令都要生成一个CRC，并要检查CMD线上的每一个应答。对数据块，每一个传输 块都要生成一个CRC。

5.1 纠错码（ECC）

为了检查设备上的数据缺陷，主机可以在载荷数据中包含纠错码。对无错误设备，不需 要此功能。通过设备外实现的纠错码，可以达成优化的硬件分享。在另一方面，必须限制系统中编码的差异，否则需要可编程的ECC控制器，它就超出eMMC连接器的意向了。 如果eMMC需要外部的纠错（外部意味着在设备之外），则ECC算法必须由eMMC 主机来实现。CSD寄存器中缺省_ECC域定义了设备推荐的ECC算法。

5.2 循环冗余编码（CRC）

CRC 用来保护eMMC命令、应答和数据传输，以防止eMMC总线上的传输错误。要 为CMD线上的每一条命令生成CRC，并要校验每一个应答的CRC。对于数据块，每条数 据线每个数据块都要生成一个CRC。

本文内容参考《EMBEDDED MULTI-MEDIA CARD (e•MMC), ELECTRICAL STANDARD (5.1) | JEDEC》