【MMC子系统】二、EMMC协议

1、前言

在上一节，我们知道EMMC、SD、SDIO三种规范都是在MMC规范之上发展而来，协议相差不大，所以Linux Kernel才能使用MMC子系统来统一管理！

下面，我们以MMC协议为例，来了解一下相关协议!

2、EMMC基本了解

2.1 物理线路

物理接口	接口含义
CLK	时钟线，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。
CMD	命令线，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。
DAT0-7	这些是双向的数据通道。DAT 信号以推拉模式工作。缺省状态，只有DAT0处于推拉模式，DAT1-7处于上拉（内含上拉），进入4bit后，DAT0-3处于推拉

2.2 EMMC相关寄存器了解

2.3 其他特性了解

读写模式：单块读写，多块读写
寻址方式：字节寻址和扇区寻址，字节寻址允许最大2GB，容量超过2GB的，使用扇区（512B）寻址
电压模式：支持高电压和双电压模式
支持增强分区模式等

3、总线协议

3.1 基础了解

命令：启动一种操作的Token，命令从主机发往设备，在CMD线路上串行传输。
应答：从设备发往主机作为对上一命令的回答的Token，在CMD线路上串行传输。
数据：在主从机之间双向传输，总线宽度可以是1-bit（缺省）、4-bit 和 8-bit

3.2 命令格式

每一个Token，都是由一个起始位（’0’）前导，以一个停止位（’1’）终止。总长度是 48 比特。每一个 Token 都用CRC保护，因此可以检测到传输错误，可重复操作。

命令索引：也就是前面CMDX的0，1，2，3等命令编号。

命令参数：有些命令需要参数，例如地址信息等。

3.3 命令格式

① 无应答广播命令（bc）

② 有应答广播命令（bcr）

③ 点对点寻址命令（ac），无DAT数据

④ 寻址数据传输命令（adtc），有DAT数据

3.4 应答格式

所有的应答均通过命令线CMD发送，编码的长度取决于应答类型，应答Token类型有有 5 种编码方案，分别为R1、R2、R3、R4、R5。Token 长度是 48 或 136 比特。

① R1（正常应答类型）

编码长度48bit，bits 45:40 表示应答相对的命令索引，bit 8:39表示欲发送设备的状态信息。

② R2（CID CSD寄存器）

编码长度136bit，CID寄存器的内容，作为对CMD2和CMD10的应答发送。CSD寄存器内容作为对CMD9应答发送。并且CID和CSD寄存器只有bit 127:1被发送。

③ R3（OCR寄存器）

编码长度48bit，OCR寄存器作为对CMD1的应答发送。

④ R4（快速I/O）

编码长度48bit，参数域包含了被寻址设备的RCA、要读写的寄存器地址和内容。

⑤ R5（中断请求）

编码长度48bit，如果应答是主机生成的，参数的RCA应为0。

4、工作模式

主机和设备之间的通信，都由主机控制发起，主机发送命令，引起设备的应答。

EMMC工作模式也定义了5种：

引导模式：使设备处于引导状态
设备识别模式：引导模式结束，设备再次模式下，接受SET_RCA命令，进行识别设备。
数据传输模式：分配RCA后，设备进入数据传输模式，准备数据通信
中断模式：主机与设备同时进入，无数据传输，只允许消息来自主机或从机的中断请求
非活动模式：如果设备工作电压范围和访问模式无效，则进入非活动模式。

每一种模式，都有其各自的特点，我们主要来了解一下设备识别过程和数据传输过程。

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4.1 设备识别模式

乍一看图，肯定大家都一脸懵逼，不仔细分析协议，单看图还是有一定理解难度的。

总体来说，设备识别模式下，主机要想识别到卡，主要步骤有如下几步：

复位设备
验证工作电压及访问模式
识别设备并分配相对设备地址RCA
使设备进入数据传输模式

4.1.1 复位

EMMC控制器通过发送CMD0，参数为0x00000000，使设备进入Idle状态。

同时，为了向后兼容，在除Inactive的任何状态，接收非0XFFFFFFFA或0XF0F0F0F0的参数，都作为CMD0。

4.1.2 验证工作电压及访问模式

EMMC控制器通过发送CMD1，参数为OCR寄存器，该寄存器种包含了2bit的存储器访问模式。

如上，bit[30：29]表示访问模式，通过CMD1发送该数据目的是向存储器同步寻址类型。

EMMC设备同时也应以固定模式0x00FF8080 或 0x40FF8080（如果设备忙）、0x80FF8080（容量小于等于 2GB）或 0xC0FF8080（容量大于 2GB）应答。

同时，bit31用来判忙，如果为1，说明EMMC设备仍然处于复位过程中，主机也同时重复发送CMD1来确保该忙位清除。

4.1.3 识别设备分配RCA

通过CMD1进行检查后，不符合的设备就进入了Inactive状态。而符合的设备就进入了Ready状态。

进而，EMMC控制器发送CMD2，请求符合要求的设备发送唯一设备标识CID号。CID号对于每一张卡，都是唯一的。

发送CID成功的设备，就进入到了Identification状态。

进而，EMMC控制器发送CMD3，赋予设备一个相对设备地址RCA，从设备一旦接收到RCA，设备就变为Stand-by状态，即空闲态。

4.2 数据传输过程

分配完RCA后，从设备接收到RCA，立即处于stand-by状态时，CMD和DAT线路，均变为推拉模式。

4.2.1 获取CSD寄存器信息

CMD9：主机发送该命令，以获取设备专用寄存器CSD的数据，如块长度，存储容量，最大时钟速率等。

4.2.2 获取CID寄存器信息

CMD10：主机发送该命令，以获取设备专用寄存器CID的数据，获取设备识别号。

4.2.3 切换为Transfer状态

CMD7：主机发送该命令，选定该设备，使其切换到发送数据状态。

4.2.4 查看EXT_CSD扩展寄存器

CMD8：主机发送该命令，设备作为数据块发送其 EXT_CSD寄存器的数据，设备将数据作为一个512字节的数据块发送。

4.2.5 修改EXT_CSD扩展寄存器的值

CMD6：主机发送该命令，用于切换工作模式，或者修改EXT_CSD寄存器。

CMD6，这个命令，参数的设置有很大讲究呢！

[31:26]：正如手册所写，直接设置为0

[25:24]：访问模式选择，那么访问模式有哪几种呢？

如果 SWITCH 命令用于更换命令集（[25:24]为00），Index 和 Value 域被忽略（[23:16]、[15:8]忽略），且 EXT_CSD 不会被写。

如果 SWITCH命令用于写 EXT_CSD寄存器，Cmd Set 域被忽略[2:0] 忽略，命令集保持不变。

[23:16]：索引，指的是EXT_CSD寄存器中，所要修改字节的索引。

[15:8]：要写入的值

[2:0]：命令集选择，命令集有如下几种类别，相关手册可以查阅。

举个栗子：

如果我们想要操作总线长度，我们该怎么修改呢？

CMD6命令，发送args=03B70200，即可修改。

03：代表访问模式为写字节

B7：转换为十进制183，对应EXT_CSD总线宽度模式的字节。

02：设置该字节的值为02，即8位数据总线

00：写字节访问模式下，该位无效。

4.2.6 读数据

单块读

CMD17：直接发送读命令，参数为要写入的数据地址信息，只读一个块。

多块读

CMD18：直接发送读命令，参数为要写入的数据地址信息，并且一直读下去。

CMD12：停止命令，停止传输。

4.2.7 写数据

确保设备处于发送状态，即主机发送CMD7命令

单块写

CMD24：直接发送写命令，参数为要写入的数据地址信息，只写一个块。

多块写

多块写的模式有两种：

① 一种是：设置要传输的数据块的个数，达到个数后，自动停止

CMD16：设置要传输的块长度

CMD25：开始发送CMD16指定长度的数据块，直到达到设置的数据块写入完成。

②另一种是：一直传输数据，直到接收停止数据的命令

CMD25：开始发送数据块，一直等待数据发送完全

CMD12：停止命令，停止传输。

好啦，到这里我们基本了解了MMC的协议，这也有助于我们去分析EMMC的框架。