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Rockchip RK3399 - MMC基础

发布时间 2023-09-23 00:41:07作者: 大奥特曼打小怪兽

一、概述

MMC是MultiMedia Card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规范，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、micro SD、SDIO、eMMC等不同的规范；

1.1 SD

SD卡是Secure Digital Card的英文缩写，即“安全数码卡”。SD卡是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，是在MMC基础上发展起来的，增加了两个主要特色：

  • 可以设置所存储的使用权限，防止数据被他人复制；

  • 传输速度比2.11版MMC卡快。

特性：

  • 可选通信协议：SD模式（SDIO）和SPI模式；
  • 可变时钟频率：0~25MH；
  • 通信电压范围：2.0~3.6；
  • 数据寿命：10万次编程/擦除；
  • 正向兼容MMC卡；
  • 运行在25M的频率上，数据带宽是4位，因此最大传输速率是12.5MHz（12.5兆字节每秒）；

SD卡有9个引脚，使其反面朝上，最左边为9号引脚，然后从左到右依次是1号~8号，如下图：

1.1.1 SD模式

在SD模式下，通常可以使用四根数据线进行传输（4-bits Data），传输速度非常快。四位数据传输要使用引脚1、7、8和9（DAT0~DAT3）；在某些不支持四线数据的场合，也可以使用单根线进行数据传输（1-bit Data），此时使用引脚7（DAT0）。

下面这张表，是SD卡在SD模式下的引脚定义：

引脚 名称 描述
1 CD/DAT3 Data line 3
2 CMD Command/Response Line
3 VSS1 GND
4 VDD 3.3V Power supply
5 CLK Clock
6 VSS2 GND
7 DAT0 Data line 0
8 DAT1 Data line 1
9 DAT2 Data line 2
1.1.2 SPI模式

SPI通信需要四根线，两条数据线（SPI_MISO、SPI_MOSI），一条时钟线（SPI_SCK）和一条片选（Chip Select）信号线。

在SPI模式下，SD卡的8号、9号针脚没有用到，针脚定义见下表：

引脚 名称 描述
1 CS 片选信号
2 MOSI 主设备输出从设备输入
3 VSS1 GND
4 VDD 3.3V Power supply
5 SCLK 串行时钟信号，由主设备产生
6 VSS2 GND
7 MISO 主设备输入从设备输出
8 NC 没有用到
9 NC 没有用到

1.2 TF

TF卡即是T-Flash卡，又叫Micro SD卡，即微型SD卡。 SD卡比TF卡的尺寸要大，应用于不同产品；

  • SD卡一般都用在大一些的电子设备：如电脑，相机，AV等器材；
  • TF一般用在手机上。TF卡插入适配器（adapter）可以转换成SD卡，但SD卡一般无法转换成TF卡；

SD卡上有一个（lock）开关，即写保护开关，TF卡没有。

TF卡只有8个引脚，其定义如下图：

TF卡同样支持SD模式（SDIO）和SPI模式。

1.2.1 SD模式

下面这张表，是TF卡在SD模式下的引脚定义：

引脚 名称 描述
1 DAT2 Data line 2
2 DAT3 Data line 3
3 CMD Command/Response Line
4 VDD 3.3V Power supply
5 CLK Clock
6 VSS GND
7 DAT0 Data line 0
8 DAT1 Data line 1

NanoPC-T4开发板带有一个TF卡槽，TF卡槽接线图如下所示：

RK3399 SDMMC引脚接线如下图所示：

补充：实际上并没有SDMMC卡或者是SDMMC接口；这里SDMMC就是SD卡。

需要注意的是：RK3399的电源域包含了sdmmc，如果要使用SDMM0必须要配置电源域，SDMMC0_VDD引脚连接的电源VCC_SDIO是由rk808下的12号引脚VLDO4输出的。

RK3399引脚 方向 描述
GPIO4_B4/SDMMC0_CLKOUT O SDMMC card clock
GPIO4_B5/SDMMC0_CMD I/O SDMMC card command output and response input
GPIO4_B0/SDMMC0_D0 I/O SDMMC card data input and output line 0
GPIO4_B1/SDMMC0_D1 I/O SDMMC card data input and output line 1
GPIO4_B2/SDMMC0_D2 I/O SDMMC card data input and output line 2
GPIO4_B3/SDMMC0_D3 I/O SDMMC card data input and output line 3
GPIO0_B0/SDMMC0_WRPRT I SDMMC card protect
GPIO0_A7/SDMMC0_DET I SDMMC card detect signal, a 0 represents presence of card
SDMMC0_VDDPST O Pin out to external capacitor
1.2.2 SPI模式

在SPI模式下，TF卡引脚定义见下表：

引脚 名称 描述
1 NC 没有用到
2 CS 片选信号
3 MOSI 主设备输出从设备输入
4 VDD 3.3V Power supply
5 SCLK 串行时钟信号，由主设备产生
6 VSS GND
7 MISO 主设备输入从设备输出
8 NC 没有用到

1.3 eMMC

eMMC与SD卡说的是两种不同的封装， eMMC是BGA封装，一般焊接在板子上；而SD卡为TF/SD卡的形式；注意这仅是物理的表现形式不一样，而他们使用的通信接口都是SD卡通信标准。

1.4 SDIO

SDIO是在SD卡接口的基础上发展起来的外设接口，SDIO接口兼容以前的SD卡，并且可以连接SDIO接口的设备，目前根据SDIO协议的SPEC，SDIO接口支持的设备总类有WIFI、Bluetooth、GPS等等。

二、MMC规范

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子系统的行为，如下图所示：

2.1 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；

2.1.1 内部block

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；
2.1.2 引脚

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）；

2.2 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，根据工作电压的不同，MMC卡可以分为两类：

  • High Voltage MultiMedia Card：工作电压为2.7V~3.6V；
  • Dual Voltage MultiMedia Card：工作电压有两种，1.70V1.95V和2.7V3.6V，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；

(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;
  • 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；

2.3 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 框架的有关内容，再详细介绍。

参考文章

[1] SD卡、TF卡、MMC卡、emmc、sdio扫盲

[2] 芯片的SD/MMC控制器以及SD卡介绍

[3] MMC、SD、TF、SDIO、SDMMC简介

[4] MMC/SD/SDIO介绍

[5] STM32——SDIO的学习（驱动SD卡）

[6] 详谈SD卡/微型SD卡的引脚定义与连接