MMC/SD/SDIO介绍

作者:wowo 发布于:2016-12-25 21:52 分类:基础技术

1. 前言

熟悉Linux kernel的人都知道,kernel使用MMC subsystem统一管理MMC、SD、SDIO等设备,为什么呢?到底什么是MMC?SD和SDIO又是什么?为什么可以用MMC统称呢?

在分析Linux kernel的MMC subsystem之前,有必要先介绍一些概念,以便对MMC/SD/SDIO有一个大致的了解,这就是本文的目的。

2. 基本概念

MMC是MultiMediaCard的简称,从本质上看,它是一种用于固态非易失性存储的内存卡(memory card)规范[1],定义了诸如卡的形态、尺寸、容量、电气信号、和主机之间的通信协议等方方面面的内容。

从1997年MMC规范发布至今,基于不同的考量(物理尺寸、电压范围、管脚数量、最大容量、数据位宽、clock频率、安全特性、是否支持SPI mode、是否支持DDR mode、等等),进化出了MMC、SD、microSD、SDIO、eMMC等不同的规范(如下面图片1所示)。虽然乱花迷人,其本质终究还是一样的,丝毫未变,这就是Linux kernel将它们统称为MMC的原因。

mmc_sd_sdio_history

图片1 MMC/SD/SDIO evolution

关于该图片,这里强调几点(其它的,大家可参考[1][2],不再详细介绍):

MMC、SD、SDIO的技术本质是一样的(使用相同的总线规范,等等),都是从MMC规范演化而来;

MMC强调的是多媒体存储(MM,MultiMedia);

SD强调的是安全和数据保护(S,Secure);

SDIO是从SD演化出来的,强调的是接口(IO,Input/Output),不再关注另一端的具体形态(可以是WIFI设备、Bluetooth设备、GPS等等)。

3. 规范简介

MMC分别从卡(Card Concept)、总线(Bus Concept)以及控制器(Host Controller)三个方面,定义MMC system的行为,如下面图片2所示:

mmc_sd_sdio_hw_block

图片2 mmc_sd_sdio_hw_block

不同岗位的工程师,可以根据自己的工作性质,重点理解某一部分的规范,下面从嵌入式软件工程师的视角,简单的介绍一下。

3.1 卡的规范

卡的规范主要规定卡的形状、物理尺寸、管脚,内部block组成、寄存器等等,以eMMC为例[3]

Card Concept(eMMC)

图片3 Card Concept(eMMC)

1)有关形状、尺寸的内容,这里不再介绍,感兴趣的同学可参考[1]。

2)卡的内部由如下几个block组成:

Memory core,存储介质,一般是NAND flash、NOR flash等;

Memory core interface,管理存储介质的接口,用于访问(读、写、擦出等操作)存储介质;

Card interface(CMD、CLK、DATA),总线接口,外界访问卡内部存储介质的接口,和具体的管脚相连;

Card interface controller,将总线接口上的协议转换为Memory core interface的形式,用于访问内部存储介质;

Power模块,提供reset、上电检测等功能;

寄存器(图片1中位于Card interface controller的左侧,那些小矩形),用于提供卡的信息、参数、访问控制等功能。

3)卡的管脚有VDD、GND、RST、CLK、CMD和DATA等,VDD和GND提供power,RST用于复位,CLK、CMD和DATA为MMC总线协议(具体可参考3.2小节)的物理通道:

CLK有一条,提供同步时钟,可以在CLK的上升沿(或者下降沿,或者上升沿和下降沿)采集数据;

CMD有一条,用于传输双向的命令。

DATA用于传说双向的数据,根据MMC的类型,可以有一条(1-bit)、四条(4-bit)或者八条(8-bit)。

4)以eMMC为例,规范定义了OCR, CID, CSD, EXT_CSD, RCA 以及DSR 6组寄存器,具体含义后面再介绍。

3.2 总线规范

前面我们提到过,MMC的本质是提供一套可以访问固态非易失性存储介质的通信协议,从产业化的角度看,这些存储介质一般集成在一个独立的外部模块中(卡、WIFI模组等),通过物理总线和CPU连接。对任何有线的通信协议来说,总线规范都是非常重要的。关于MMC总线规范,简单总结如下:

1)物理信号有CLK、CMD和DATA三类。

2)电压范围为1.65V和3.6V(参考上面图片2),根据工作电压的不同,MMC卡可以分为两类:

High Voltage MultiMediaCard,工作电压为2.7V~3.6V。

Dual Voltage MultiMediaCard,工作电压有两种,1.70V~1.95V和2.7V~3.6V,CPU可以根据需要切换。

3)数据传输的位宽(称作data bus width mode)是允许动态配置的,包括1-bit (默认)模式、4-bit模式和8-bit模式。

注1:不使用的数据线,需要保持上拉状态,这就是图片2中的DATA中标出上拉的原因。另外,由于数据线宽度是动态可配的,这要求CPU可以动态的enable/disable数据线的那些上拉电阻。

4)MMC规范定义了CLK的频率范围,包括0-20MHz、0-26MHz、0-52MHz等几种,结合数据线宽度,基本决定了MMC的访问速度。

5)总线规范定义了一种简单的、主从式的总线协议,MMC卡位从机(slave),CPU为主机(Host)。

6)协议规定了三种可以在总线上传输的信标(token):

Command,Host通过CMD线发送给Slave的,用于启动(或结束)一个操作(后面介绍);

Response,Slave通过CMD线发送给Host,用于回应Host发送的Command;

Data,Host和Slave之间通过数据线传说的数据。方向可以是Host到Slave,也可以是Slave到Host。数据线的个数可以是1、4或者8。在每一个时钟周期,每根数据线上可以传输1bit或者2bits的数据。

7)一次数据传输过程,需要涉及所有的3个信标。一次数据传输的过程也称作Bus Operation,根据场景的不同,MMC协议规定了很多类型的Bus Operation(具体可参考相应的规范)。

3.3 控制器规范

Host控制器是MMC总线规范在Host端的实现,也是Linux驱动工程师比较关注的地方,后面将会结合Linux MMC framework的有关内容,再详细介绍。

4. 总结

本文对MMC/SD/SDIO等做了一个简单的介绍,有了这些基本概念之后,在Linux kernel中编写MMC驱动将不再是一个困难的事情(因为MMC是一个协议,所有有关协议的事情,都很简单,因为协议是固定的),我们只需要如下步骤即可完成:

1)结合MMC的规范,阅读Host MMC controller的spec,理解有关的功能和操作方法。

2)根据Linux MMC framework的框架,将MMC bus有关的操作方法通过MMC controller实现。

具体可参考后续MMC framework的分析文档。

5. 参考文档

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/MultiMediaCard

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Secure_Digital

[3] eMM spec(注册后可免费下载),http://www.jedec.org/standards-documents/results/jesd84-b51

 

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标签: emmc mmc sd sdio

评论:

jinxinxin163
2017-01-19 08:52
请教:
https://en.wikipedia.org/wiki/MultiMediaCard
里的Comparison of technical features of MMC and SD card variants
为什么没有emmc?
wowo
约 9 小时前
@jinxinxin163:emmc和mmc的本质区别,就是封装的不同(以IP的形式嵌入到CPU中),其它的都差不多,所以wikipedia没有去更新吧(我猜测的)。
King Jin
2016-12-28 16:09
大神写的真好。

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