基于eMMC芯片技术特点工作原理以及控制器的设计方案

摘要: 介绍了eMMC芯片的技术特点、工作原理，以及控制器的设计方案。该设计基于Xilinx公司的Virtex6系列FPGA芯片，实现了控制器的设计方案，并给出了仿真结果，验证了该设计方案的可行性。此外，该设计均采用硬件逻辑实现，具有速度快、通用性强、可靠性高的特点。

引言
eMMC(embedded Multi Media Card)是由MMC协会所订立的，主要针对手机、平板电脑等便携式产品的内嵌式存储器。eMMC存储芯片的优势在于将NAND Flash和主控芯片封装成一个微型的BGA芯片，提供标准的接口并管理内存，不需要处理复杂的Flash兼容性和管理问题，使得应用厂商专注于产品开发的其他部分，从而缩短产品研发时间、降低研发成本。本设计是基于eMMC4.5(JESD84B45)协议，并在FPGA(XC6VLX240T)上硬件实现，具有性能稳定、可移植性强、通用性好的特点，用户无需关注底层物理协议，而且操作简单。

1eMMC工作原理

1.1初始化

系统上电后，在eMMC能进行正常读写之前，必须按照协议规定的步骤完成初始化。 初始化过程如下：

① 复位进入Idle State的方式有两种:一种是通过Power On即上电进入，另外一种是通过发送命令CMD0。复位之后所有的寄存器都复位成默认值，此时CLK需要设置成fOD的范围，即0～400 kHz。

② 在Idle State发送命令CMD1，如果eMMC寄存器OCR回复值中的busy位为0，则上电复位仍未完成，需要一直发送命令CMD1，直到busy位为1且电压匹配，则进入Ready State。

③ 在Ready State发送命令CMD2，如果命令发送成功,则得到CID寄存器的值，而eMMC进入Identification State，若不成功，则eMMC状态不变。

④ 在Identification State发送命令CMD3，完成RCA地址分配，其中多片eMMC依靠分配不同的RCA地址来区分，进入Standby State，当eMMC芯片进入Standby State，不再响应命令CMD1、CMD2和CMD3。

⑤ 在Standby State，首先发送命令CMD9，获取设备寄存器CSD的值，可以得到如块长度、存储容量、最大时钟速率等。然后发送命令CMD7，通过参数中包含设备已分配的相对地址来选定设备，进入Transfer State。

⑥ 在Transfer State发送命令CMD6，其中包含切换工作速率的参数，将eMMC初始化低速时钟切换到正常工作的高速时钟。再次发送命令CMD6，其中包含数据位宽和单双沿模式的参数，默认模式是一位数据位宽和单沿模式，转换数据位宽和单双沿模式,此时eMMC停留在Transfer State，初始化工作全部完成。eMMC初始化流程图如图1所示。

 

图1 eMMC初始化流程图

1.2数据读
eMMC初始化完成后进入数据传输模式(即Transfer Mode)，它是eMMC的工作模式， 在此模式下可实现对eMMC的数据读写。当没有数据传输时，DAT0～DAT7处于高电平状态，数据传输是以数据包为单位的，数据传输封包结构是一位开始位0，接着是数据流，包含了数据和CRC校验码，最后是一位结束位1，其中数据传输和时钟是同步的。数据基本的传输单元是Block，它的最大长度被定义在CSD中的READ_BL_LEN。
数据读分为单块读和多块读。单块读操作开始时，主机先发送CMD16(SET_BLOCKLEN)设置块长度，eMMC接收后再发送CMD17命令读取单块数据，单块数据读完成后自动返回Transfer State，等待下一次读操作。多块读操作开始时，主机同样先发送CMD16设置块长度，然后发送CMD23命令设置读取块个数，接着发送CMD18命令开始读取单块数据，每次单块数据读取完成则块计数加1，直到块计数等于预定块个数，多块读完成，返回Transfer State，进入下一轮读过程。其中须注意命令CMD17、CMD18设置读取块开始地址时，地址只有32位(4 GB)，对于容量小于2 GB的芯片来说，地址即为每一位字节地址，对于容量大于2 GB的芯片来说，地址为扇区地址，每个扇区为512 KB。如果想要进行局部块读操作，则必须事先通过发送命令CMD9查看CSD寄存器中的READ_BLK_MISALIGNED和READ_BL_PARTIAL的值是否为0，若不为0,则系统不允许局部块读，读数据时,读出块大小必须为512 B或者CSD中READ_BL_LEN[83∶80]设置的值。eMMC数据读流程图如图2所示。

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图2 eMMC数据读流程图