摘要: 介紹了eMMC芯片的技術(shù)特點(diǎn)、工作原理，以及控制器的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)基于Xilinx公司的Virtex6系列FPGA芯片，實(shí)現(xiàn)了控制器的設(shè)計(jì)方案，并給出了仿真結(jié)果，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性。此外，該設(shè)計(jì)均采用硬件邏輯實(shí)現(xiàn)，具有速度快、通用性強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)。

引言
eMMC(embedded Multi Media Card)是由MMC協(xié)會(huì)所訂立的，主要針對(duì)手機(jī)、平板電腦等便攜式產(chǎn)品的內(nèi)嵌式存儲(chǔ)器。eMMC存儲(chǔ)芯片的優(yōu)勢(shì)在于將NAND Flash和主控芯片封裝成一個(gè)微型的BGA芯片，提供標(biāo)準(zhǔn)的接口并管理內(nèi)存，不需要處理復(fù)雜的Flash兼容性和管理問題，使得應(yīng)用廠商專注于產(chǎn)品開發(fā)的其他部分，從而縮短產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間、降低研發(fā)成本。本設(shè)計(jì)是基于eMMC4.5(JESD84B45)協(xié)議，并在FPGA(XC6VLX240T)上硬件實(shí)現(xiàn)，具有性能穩(wěn)定、可移植性強(qiáng)、通用性好的特點(diǎn)，用戶無(wú)需關(guān)注底層物理協(xié)議，而且操作簡(jiǎn)單。

1eMMC工作原理

1.1初始化

① 復(fù)位進(jìn)入Idle State的方式有兩種:一種是通過Power On即上電進(jìn)入，另外一種是通過發(fā)送命令CMD0。復(fù)位之后所有的寄存器都復(fù)位成默認(rèn)值，此時(shí)CLK需要設(shè)置成fOD的范圍，即0～400 kHz。

② 在Idle State發(fā)送命令CMD1，如果eMMC寄存器OCR回復(fù)值中的busy位為0，則上電復(fù)位仍未完成，需要一直發(fā)送命令CMD1，直到busy位為1且電壓匹配，則進(jìn)入Ready State。

③ 在Ready State發(fā)送命令CMD2，如果命令發(fā)送成功,則得到CID寄存器的值，而eMMC進(jìn)入Identification State，若不成功，則eMMC狀態(tài)不變。

④ 在Identification State發(fā)送命令CMD3，完成RCA地址分配，其中多片eMMC依靠分配不同的RCA地址來(lái)區(qū)分，進(jìn)入Standby State，當(dāng)eMMC芯片進(jìn)入Standby State，不再響應(yīng)命令CMD1、CMD2和CMD3。

⑤ 在Standby State，首先發(fā)送命令CMD9，獲取設(shè)備寄存器CSD的值，可以得到如塊長(zhǎng)度、存儲(chǔ)容量、最大時(shí)鐘速率等。然后發(fā)送命令CMD7，通過參數(shù)中包含設(shè)備已分配的相對(duì)地址來(lái)選定設(shè)備，進(jìn)入Transfer State。

⑥ 在Transfer State發(fā)送命令CMD6，其中包含切換工作速率的參數(shù)，將eMMC初始化低速時(shí)鐘切換到正常工作的高速時(shí)鐘。再次發(fā)送命令CMD6，其中包含數(shù)據(jù)位寬和單雙沿模式的參數(shù)，默認(rèn)模式是一位數(shù)據(jù)位寬和單沿模式，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)位寬和單雙沿模式,此時(shí)eMMC停留在Transfer State，初始化工作全部完成。eMMC初始化流程圖如圖1所示。

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圖1 eMMC初始化流程圖

1.2數(shù)據(jù)讀
eMMC初始化完成后進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸模式(即Transfer Mode)，它是eMMC的工作模式， 在此模式下可實(shí)現(xiàn)對(duì)eMMC的數(shù)據(jù)讀寫。當(dāng)沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，DAT0～DAT7處于高電平狀態(tài)，數(shù)據(jù)傳輸是以數(shù)據(jù)包為單位的，數(shù)據(jù)傳輸封包結(jié)構(gòu)是一位開始位0，接著是數(shù)據(jù)流，包含了數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)碼，最后是一位結(jié)束位1，其中數(shù)據(jù)傳輸和時(shí)鐘是同步的。數(shù)據(jù)基本的傳輸單元是Block，它的最大長(zhǎng)度被定義在CSD中的READ_BL_LEN。
數(shù)據(jù)讀分為單塊讀和多塊讀。單塊讀操作開始時(shí)，主機(jī)先發(fā)送CMD16(SET_BLOCKLEN)設(shè)置塊長(zhǎng)度，eMMC接收后再發(fā)送CMD17命令讀取單塊數(shù)據(jù)，單塊數(shù)據(jù)讀完成后自動(dòng)返回Transfer State，等待下一次讀操作。多塊讀操作開始時(shí)，主機(jī)同樣先發(fā)送CMD16設(shè)置塊長(zhǎng)度，然后發(fā)送CMD23命令設(shè)置讀取塊個(gè)數(shù)，接著發(fā)送CMD18命令開始讀取單塊數(shù)據(jù)，每次單塊數(shù)據(jù)讀取完成則塊計(jì)數(shù)加1，直到塊計(jì)數(shù)等于預(yù)定塊個(gè)數(shù)，多塊讀完成，返回Transfer State，進(jìn)入下一輪讀過程。其中須注意命令CMD17、CMD18設(shè)置讀取塊開始地址時(shí)，地址只有32位(4 GB)，對(duì)于容量小于2 GB的芯片來(lái)說，地址即為每一位字節(jié)地址，對(duì)于容量大于2 GB的芯片來(lái)說，地址為扇區(qū)地址，每個(gè)扇區(qū)為512 KB。如果想要進(jìn)行局部塊讀操作，則必須事先通過發(fā)送命令CMD9查看CSD寄存器中的READ_BLK_MISALIGNED和READ_BL_PARTIAL的值是否為0，若不為0,則系統(tǒng)不允許局部塊讀，讀數(shù)據(jù)時(shí),讀出塊大小必須為512 B或者CSD中READ_BL_LEN[83∶80]設(shè)置的值。eMMC數(shù)據(jù)讀流程圖如圖2所示。

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圖2 eMMC數(shù)據(jù)讀流程圖