Linux MMC子系统 - 2.eMMC 5.1总线协议浅析

By: Ailson Jack
Date: 2023.10.27
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eMMC总线拓扑

在eMMC总线中，可以有一个Host，多个eMMC设备。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。Host一次只能与一个eMMC设备通信。

在上电启动后，Host会为所有eMMC设备依次分配相对地址（RCA，Relative card Address）。当Host需要和某一个eMMC设备通信时，会先通过RCA选中该eMMC设备，只有被选中的eMMC设备才会响应Host的Command。

eMMC总线协议

在系统上电复位后，Host必须使用eMMC总线协议指定的message来初始化eMMC设备。每个message都由下面的一个标记表示：

command：命令，一个命令是一个开始操作的标记。命令是由Host发给eMMC设备的。一个命令在CMD线上被串行传输。
response：响应，响应是由eMMC设备发送给Host，用于eMMC设备对先前收到命令的回复。一个响应在CMD线上被串行传输。
data：数据，数据可以从Host传输给eMMC设备，也可以从eMMC设备传输给Host。数据在数据线上被传输。用于传输数据的数据线可以是1个（DAT0），4个（DAT0-DAT3）或者8个（DAT0-DAT7）。

对于每一个数据线来说，在一个时钟周期可以传输1位数据，也就是SDR模式（single data rate）。当然了，在一个时钟周期可以传输2位数据，也就是DDR模式（dual data rate）。

eMMC的读和写命令是按照block为单位进行的。读和写可以是单块或者多块。读和写数据时，数据block后面会跟CRC。

eMMC读数据

Host从eMMC设备读取数据的流程图如下图所示：

在这里插入图片描述
如果Host发送的是Read Single Block的命令（CMD17），那么eMMC设备只会发送一个Block的数据（一个Block数据的字节数可以由Host通过CMD16命令设定或者为eMMC设备的默认值）。

如果Host发送的是Read Multiple Block的命令（CMD18），并且在发送CMD18之前，先发送一个SET BLOCK COUNT命令（CMD23）来设置需要读取的数据块数量，那么eMMC设备在传输完指定数量的数据块之后，会自动结束数据传输，不需要Host主动发送Stop Command（CMD12）。

如果Host发送的是Read Multiple Block的命令（CMD18），并且在发送CMD18之前，Host没有发送设置读取数据块数量的命令，那么eMMC设备会持续发送数据，直到Host主动发送Stop Command（CMD12）。

eMMC写数据

Host向eMMC设备写入数据的流程图如下图所示：

在这里插入图片描述
如果Host发送的是Write Single Block的命令（CMD24），那么eMMC设备只会将后续第一个Block的数据写入的存储器中（一个Block数据的字节数可以由Host通过CMD16命令设定或者为eMMC设备的默认值）。

如果Host发送的是Write Multiple Block的命令（CMD25），并且在发送CMD25之前，先发送一个SET BLOCK COUNT命令（CMD23）来设置需要写入的数据块数量，那么eMMC设备在接收完指定数量的数据块之后，会自动结束数据传输，不需要Host主动发送Stop Command（CMD12）。

如果Host发送的是Write Multiple Block的命令（CMD25），并且在发送CMD25之前，Host没有发送设置写入数据块数量的命令，那么eMMC设备会持续地将接收到的数据写入到存储器中，直到Host主动发送Stop Command（CMD12）。

eMMC设备在接收到一个Block的数据后，会进行CRC校验，然后将校验结果通过CRC Token发送给Host。发送完CRC Token后，如果CRC校验成功，eMMC设备会将数据写入到内部存储器，此时DAT0信号会拉低，作为Busy信号。Host会持续检测DAT0信号，直到为高电平时，才会接着发送下一个Block的数据。如果CRC校验失败，那么eMMC设备不会进行数据写入，此次传输的后续数据都会被忽略。

eMMC无数据和无响应命令示意

在Host与eMMC设备的通信中，有部分命令是不需要进行数据传输的，还有部分命令不需要eMMC设备回复Response，示意图如下所示：

在这里插入图片描述

eMMC命令

eMMC命令类型

eMMC协议定义了4种类型的命令，包括：bc、bcr、ac和adtc，这些命令类型的说明如下：

bc：broadcast commands（bc），bc是广播命令，主机发送bc命令给eMMC设备后，eMMC设备不需要回复响应（response）。
bcr：broadcast commands with response（bcr），bcr是需要eMMC设备回复响应的广播命令。
ac：addressed（point-to-point） commands（ac），ac是数据线（DAT lines）无数据传输的（no data transfer）点对点（point-to-point）命令。
adtc：addressed（point-to-point） data transfer commands（adtc），adtc是数据线有数据传输的点对点命令。

所有的命令（command）和响应（response）都是在CMD线上进行传输的。发送命令或响应时先发送起始位（Start bit），最后发送结束位（End bit）。

eMMC命令格式

eMMC的Command格式如下图所示：

在这里插入图片描述
eMMC的Command由48 bits组成，所有的eMMC命令都以01开始，以1结尾。所有的eMMC命令都是在CMD线上进行传输的，发送命令时先发送命令的起始位（Start bit），最后发送命令的结束位（End bit）。eMMC命令各个位的说明如下图所示：

在这里插入图片描述

Start Bit：起始位，固定为0，在没有命令传输的情况下，CMD线上的信号保持高电平，当Host将Start Bit发送到总线上时，eMMC设备可以很方便检测到命令的Start Bit（CMD线上的信号由高电平变为低电平），并开始接收Command。
Transmission Bit：传输位，固定为1，该位指示CMD线上数据的传输方向，该位为1，表示CMD线上数据的传输方向为从Host到eMMC设备。
Command Index和Argument：命令索引和命令参数，Command Index和Argument是命令的具体内容，不同的命令Command Index不同，不同的命令Argument也不相同。
CRC：CRC校验值，包含Start Bit、Transmission Bit、Command Index和Argument内容的CRC校验值。
End Bit：结束位，固定为1。

eMMC命令类别

eMMC的命令被划分成多种不同的类别。每一种命令类别支持一个设备功能的子集。

Class 0是所有eMMC设备都必须支持的命令类别。其他的命令类别根据具体的设备类型可以是必须支持的，也可以是可选的。

eMMC命令类别描述如下：

在这里插入图片描述
Host可以通过读取CSD寄存器的CCC [95:84]位域，来了解当前eMMC设备对命令类别的支持情况，对应的位域值为1，就表示该eMMC设备支持对应的命令类别。

eMMC响应

eMMC响应有两种长度的数据包，分别为48 Bits和136 Bits，eMMC响应的格式如下图所示：

在这里插入图片描述
eMMC的响应由48 bits或者136 bits组成，所有的eMMC响应都以00开始，以1结尾。所有的eMMC响应都是在CMD线上进行传输的，eMMC设备发送响应时先发送响应的起始位（Start bit），最后发送响应的结束位（End bit）。

Start Bit：起始位，固定为0，在没有响应传输的情况下，CMD线上的信号保持高电平，当eMMC设备将Start Bit发送到总线上时，Host可以很方便检测到响应的Start Bit（CMD线上的信号由高电平变为低电平），并开始接收响应。
Transmission Bit：传输位，固定为0，该位指示CMD线上数据的传输方向，该位为0，表示CMD线上数据的传输方向为从eMMC设备到Host。
Content：响应的具体内容，不同的响应Content不同。
CRC：CRC校验值，包含Start Bit、Transmission Bit和Content内容的CRC校验值。
End Bit：结束位，固定为1。

eMMC有5种类型的响应，包括：R1，R2，R3，R4和R5。

R1

R1响应的数据长度为48 bits，其中[45:40]数据位域表示的是该响应对应命令的编号。[39:8]是一个32位大小的位域，主要用于反应设备的状态信息，具体的设备状态信息内容可以参考eMMC 5.1 spec的6.13 Device status章节。

在这里插入图片描述
R1b和R1完全相同，只是R1b会在数据线DAT0上传输一个可选的busy信号。基于eMMC设备在接收命令之前的状态，eMMC设备在接收到一些命令之后可能会变得繁忙。

R2

R2响应的数据长度为136 bits。[127:1]是一个127位大小的位域，该位域将CID寄存器的值作为CMD2和CMD10的响应内容。[127:1]位域也可以将CSD寄存器的值作为CMD9的响应内容。CID和CSD寄存器的[127:1]位作为R2响应内容被传输，CID和CSD寄存器的保留位[0]由于该位的值总是1，因此保留位[0]被R2响应的End bit替换。

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R3

R3响应的数据长度为48 bits。[39:8]是一个32位大小的位域，该位域将OCR寄存器的值作为CMD1的响应内容。

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R4

R4响应的数据长度为48 bits。[39:8]是参数域，该位域包含寻址设备的RCA，要进行读写操作的寄存器地址以及寄存器内容。如果操作成功，参数域中的状态位将被置1。R4响应只作为对CMD39的响应。

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R5

R5响应的数据长度为48 bits。如果该响应由Host产生，那么RCA[31:16]位域的值应该为0。R5响应只作为对CMD40的响应。

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eMMC数据块

eMMC数据块由Start bit、Data、CRC和End bit组成。下面对不同总线宽度和数据速率（Date Rate）下，各个数据块的格式进行一个简单的说明。

1位总线宽度 SDR模式

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CRC为Data的16 bitCRC校验值，不包含起始位。

4位总线宽度 SDR模式

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各个数据线上的CRC为对应数据线的Data的16 bit CRC校验值。

8位总线宽度 SDR模式

在这里插入图片描述
各个数据线上的CRC为对应数据线的Data的16 bit CRC校验值。

4位总线宽度 DDR模式

在这里插入图片描述
DDR模式下，在时钟的上升沿和下降沿数据线都会传输数据。在时钟的上升沿传输数据的奇数字节（字节1，3，5 …），在时钟的下降沿传输数据的偶数字节（字节2，4，6 …）。

在DDR模式下，每个数据线上有两个相互交织的CRC16，时钟上升沿的CRC比特组成odd CRC16，时钟下降沿的CRC比特组成even CRC16。odd CRC16用于校验该数据线上所有上升沿比特组成的数据，even CRC16用于校验该数据线上所有下降沿比特组成的数据。

8位总线宽度 DDR模式

在这里插入图片描述

eMMC CRC status token

在Host向eMMC设备写数据过程中，eMMC设备接收到Host发送的一个数据块之后，会进行CRC校验，如果校验成功，eMMC设备会在对应的数据线上向Host回复一个Positive CRC status token（“010”），如果校验失败，eMMC设备会在对应的数据线上向Host回复一个Negative CRC status token（“101”）。

在Host从eMMC设备读取数据的过程中，Host接收到eMMC设备发送的一个数据块之后，也会进行CRC校验，但是不论校验成功还是校验失败，Host都不会向eMMC设备回复CRC status token。

Positive CRC status token

在这里插入图片描述

Negative CRC status token

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eMMC寄存器

eMMC 5.1协议定义了7个寄存器：OCR，CID，CSD，EXT_CSD，RCA，DSR和QSR，下面简单的列举常用的6个寄存器。

名称	宽度（字节）	说明	实现
OCR	4	操作条件寄存器（Operation conditions register）。通过广播命令获取寄存器信息，包含设备的供电类型和寻址模式。	必须
CID	16	卡识别寄存器（Card IDentification）。包含识别设备的唯一码。	必须
CSD	16	卡特定数据寄存器（Card Specific Data）。包含卡操作状态的具体信息。	必须
Extended CSD	512	扩展卡特定数据寄存器（Extended Card Specific Data）。包含设备的容量和当前模式信息。	必须
RCA	2	相对地址寄存器（Relative card address）。在初始化过程中，由主机控制器动态分配的地址。	必须
DSR	2	驱动等级寄存器（Driver Stage Register）。配置设备的输出驱动。	可选