简体中文

English

简体中文

English

外观

03、硬件电路与MMC协议介绍 ​

Linux内核用MMC子系统来管理MMC、SD卡、SDIO等设备。具体来说，这些设备包括：

  • MMC设备：比如手机里的内置存储芯片

  • SD设备：就是我们日常用的SD存储卡

  • SDIO设备：这是基于SD卡技术扩展的接口，主要用于连接外设（比如Wi-Fi或蓝牙模块），不需要设备本身是存储卡

1、硬件电路 ​

MMC系统的行为由三部分共同决定：

  1. 卡（Card）
    遵循预设的通信规则，负责接收并执行主机控制器的指令（如读写数据），同时处理数据存储或传输。它像一个"响应者"，根据规则完成指令任务。

  2. 总线（Bus）
    是连接卡和控制器的物理通道，负责数据和命令的传输。它像"信息高速公路"，规定了信号传递方式（如电压高低、时钟同步），确保双方能正确解读彼此发送的信息。

  3. 控制器（Host Controller）
    作为系统发起方，负责发送指令并管理整个流程。它像"指挥官"，决定何时读写数据、如何与卡交互，并通过总线协调双方的通信节奏。

图 0

硬件连线组成：

  1. CLK信号：主机通过这个时钟信号同步数据传输，并驱动设备正常运行。

  2. CMD信号：这是主机和eMMC之间的命令通道。主机用它发送指令给eMMC，eMMC则用它返回回应结果。

  3. DATA数据线（DAT0-7）：这是主机和eMMC之间实际传输数据的通道。刚通电或重启后只能使用DAT0传输数据，完成初始化后，可以设置成同时使用DAT0-3（4位模式）或DAT0-7（8位模式）来拓宽数据通道，提升传输速度。

2、硬件抽象 ​

eMMC规范主要规定了接口功能和设备控制器的标准。简单来说，eMMC系统包括设备外部的控制模块和对应的存储芯片，规范详细说明了接口的使用方法，但不会对设备外部的控制器做具体要求。内部的存储颗粒（Flash）由厂商自行设计，只要保证对外提供的接口符合标准的MMC规格即可。

图 1

3、MMC通信协议 ​

MMC设备启动或重启后，需要主控芯片按照规则完成初始化。整个通信过程通过总线传输三类信息，流程如下：

  1. 命令
    控制器通过CMD信号线向eMMC发送指令，告诉它要执行什么操作（比如读数据或写入数据）。

  2. 响应
    eMMC收到命令后，通过同一条CMD线返回结果反馈，告诉控制器操作是否成功或是否准备好下一步。

  3. 数据
    如果需要传输实际内容（比如读取文件或写入新数据），数据会通过DATA信号线在两者之间双向传输。例如：控制器读数据时，eMMC会把数据通过DATA线发给控制器。

完整流程顺序：
每次操作必须按「发命令→等响应→传数据（如果需要）」的步骤执行。

  1. 比如写入操作时：

控制器先发「写入」命令 → eMMC回复「已准备好」 → 控制器再发送要写入的数据。

  1. 而读取操作则是：
    控制器先发「读取」命令 → eMMC回复「已就绪」 → eMMC再把存储的数据发回控制器。

3.1、命令和响应 ​

3.1.1、命令 ( command) 格式 ​

图 2

传输控制是MMC系统的核心部分。具体过程如下：

3.1.2、发送端流程 ​

  1. 命令模块会把需要传输的指令整理成固定格式的数据包

  2. 数据包包含：

    • 起始标识位

    • 指令内容位

    • 结束标识位

    • 7位错误校验码（CRC7）

  3. 整个数据包总长固定为48位

  4. 最终将数据包转换为连续的电信号，通过专用指令线发送出去

3.1.3、接收端流程： ​

  1. 接收设备首先解析收到的电信号，还原成原始数据包

  2. 对数据包进行CRC7校验（一种7位错误检测方法）

  3. 如果校验结果正确：

    • 将有效指令内容提取出来

    • 存储到专门的指令寄存器中等待执行

  4. 如果校验失败则丢弃该数据包

整个过程就像寄送带密码的加密包裹：发送方把包裹封好并加上密码，接收方收到后先验证密码是否正确，确认无误后才会拆开使用里面的内容。

图 3

如上表所示，指令在传输过程中总是以“01”作为起始位，标志指令开始传输；总是以“1”为结束位，标志该条指令发送完毕。指令[45:40]bit 为所发送指令的索引值，该值会被 SD 卡控制器进行解释。指令[39:8]bit 为所发送指令附带的参数，通常不同的指令附带参数的意义不同，需根据指令的索引值进行相应的解释。指令在发送过程中需进行 CRC7 校验，以确认在主控制器和存储器之间指令传输是否正确。

3.1.2、响应 ( response)格式 ​

图 4

3.2、数据读写操作 ​

读取数据和写入数据操作允许单块或多块的数据传输。与顺序读操作类似，当进行多块数据传输时是由“停止传输”命令来终止操作的。下图描述了单块读操作和多块读操作。在进行单块数据读操作时，主控制器通过 CMD信号线发送命令，eMMC 器件接收命令之后会做出响应，在 CMD 信号线上发送至主控制器，在命令和响应的传输中都是包含 CRC7 校验以保证传输的正确性的。同时在数据线 DAT0~DAT7（根据位宽的设置可以变化）上向主控制器发送数据，每根数据线上的数据都会在最后跟随一个 CRC16 校验保证数据传输的正确性，也为主控制器校验数据提供依据。而在多块数据的读操作中，主控制器发送读数据命令之后eMMC 做出相应，并会连续的发送数据块直到主控制器发送停止读取数据的命令之后 eMMC 器件才不向外发送数据。

图 5

读取数据和写入数据操作允许单块或多块的数据传输。与顺序读操作类似，当进行多块数据传输时是由“停止传输”命令来终止操作的。下图描述了单块读操作和多块读操作。在进行单块数据读操作时，主控制器通过 CMD信号线发送命令，eMMC 器件接收命令之后会做出响应，在CMD信号线上发送至主控制器，在命令和响应的传输中都是包含 CRC7 校验以保证传输的正确性的。同时在数据线 DAT0~DAT7（根据位宽的设置可以变化）上向主控制器发送数据，每根数据线上的数据都会在最后跟随一个 CRC16校验保证数据传输的正确性，也为主控制器校验数据提供依据。而在多块数据的读操作中，主控制器发送读数据命令之后 eMMC 做出相应，并会连续的发送数据块直到主控制器发送停止读取数据的命令之后 eMMC 器件才不向外发送数据。

图 6

4、MMC寄存器 ​

图 7

文件：kernel/include/linux/mmc/card.h``mmc_card代表了一张 MMC 卡

图 8

C
/*
 * MMC device
 */
struct mmc_card {
        struct mmc_host        *host;                        /* 隶属的 MMC 控制器 */
        struct device                dev;                                    /* 当前设备*/
        ...
        unsigned int                rca;                                /* 卡地址*/
        unsigned int                type;                    /* 卡的类型: 0=MMC 1=SD 2=SDIO*/
        #define MMC_TYPE_MMC                0                /* MMC card */
        #define MMC_TYPE_SD                    1                /* SD card */
        #define MMC_TYPE_SDIO                2                /* SDIO card */
        #define MMC_TYPE_SD_COMBO        3                /* SD combo (IO+mem) card */
        ...
        u32                        raw_cid[4];                             /* 卡 cid，未解码 */
        u32                        raw_csd[4];                   /* 卡 csd，未解码 */
        u32                        raw_scr[2];                    /* 卡 scr，未解码 */
        u32                        raw_ssr[16];

        struct mmc_cid                cid;                   /* 卡 scr，未解码 */
        struct mmc_csd                csd;                          /* 卡的特殊数据，已解码*/
        struct mmc_ext_csd        ext_csd;               /* 卡的特殊数据，已解码*/
        ...
};

4.1、mmc_cid ​

CID寄存器（器件识别寄存器）是eMMC存储芯片中的一个128位信息存储单元。这个寄存器按照eMMC通信协议设计，记录了该芯片的唯一身份标识信息。每个eMMC芯片都有独立的唯一识别码，同时不同型号的eMMC芯片还会有各自的类型标识码。相关定义位于Linux内核源码的kernel/include/linux/mmc/card.h文件中。

C
struct mmc_cid {
        unsigned int                manfid;    /* 制造商 id*/
        char                        prod_name[8];  /* 产品名*/
        unsigned char                prv;
        unsigned int                serial;     /* 产品序列号*/
        unsigned short                oemid;                /* 产品 OID*/
        unsigned short                year;
        unsigned char                hwrev;
        unsigned char                fwrev;
        unsigned char                month;
};

4.2、mmc_csd ​

CSD寄存器（设备特征数据寄存器）存储了设备操作所需的关键信息。它具体说明了：

  • 数据存储格式

  • 错误检查方法

  • 最大允许读写时间

  • 数据传输速率

  • 是否支持DSR寄存器

这些信息帮助系统正确操作存储设备，具体定义可以在Linux内核的mmc/card.h文件中找到。

C
struct mmc_csd {
        unsigned char                structure;
        unsigned char                mmca_vsn;   /* 产品 OID*/
        unsigned short                cmdclass;    /* card 支持的命令子集*/
        unsigned short                taac_clks;    /*用于计算读命令的末位和所读数据的首位间的最大时值 Nac*/
        unsigned int                taac_ns;         /*用于计算读命令的末位和所读数据的首位间的最大时值 Nac*/
        unsigned int                c_size;
        unsigned int                r2w_factor;
        unsigned int                max_dtr;         /*最大传输速率*/ 
        unsigned int                erase_size;                
        unsigned int                read_blkbits;     /*最大的读数据块长度*/
        unsigned int                write_blkbits;     /*最大的写数据块长度*/
        unsigned int                capacity;         /*卡的存储容量*/
        unsigned int                read_partial:1,    /*读小块尺寸数据（最小 1byte）是否允许， SD 卡恒为 1*/
                                                read_misalign:1,
                                                write_partial:1,
                                                write_misalign:1,
                                                dsr_imp:1;
};

4.3、mmc_csr ​

文件目录： kernel/include/linux/mmc/mmc.h

C
struct sd_scr {
        unsigned char                sda_vsn;
        unsigned char                sda_spec3;
        unsigned char                bus_widths;          /*数据线的宽度*/
#define SD_SCR_BUS_WIDTH_1        (1<<0)
#define SD_SCR_BUS_WIDTH_4        (1<<2)
        unsigned char                cmds;
#define SD_SCR_CMD20_SUPPORT   (1<<0)
#define SD_SCR_CMD23_SUPPORT   (1<<1)
};

5、MMC控制命令 ​

SD/MMC存储卡的命令格式存在差异，因此模块不通过硬件直接解析命令类型，而是由软件来指定具体命令。例如：

  • 单次数据读取（CMD17）和写入（CMD24）

  • 连续数据读取（CMD18）和写入（CMD25）

控制器会根据寄存器SD_CMD_INDEX中存储的命令编号，发送对应的指令并自动调整工作状态。相关代码位于kernel/include/linux/mmc/mmc.h文件中。

（说明：将技术术语简化为"单次数据"和"连续数据"，用"调整工作状态"替代"状态转换"，通过分点列出具体命令类型使逻辑更清晰，同时保留关键寄存器名称和文件路径作为技术参考）

图 9

图 10

文件目录：kernel\drivers\mmc\host\dw_mmc.h

C
enum dw_mci_state {
    STATE_IDLE = 0,
    STATE_SENDING_CMD,
    STATE_SENDING_DATA,
    STATE_DATA_BUSY,
    STATE_SENDING_STOP,
    STATE_DATA_ERROR,
    STATE_SENDING_CMD11,
    STATE_WAITING_CMD11_DONE,
};

core/mmc_ops.c中完成cmd的发送

在识别和初始化 SD 卡的过程中，主机控制器会按顺序发送一系列命令（CMD）来配置和准备卡以进行数据传输。以下是典型的 SD 卡识别过程中使用的命令：

6、SD卡枚举 CMD的过程 ​

  1. CMD0 (GO_IDLE_STATE):

图 11

将卡复位到空闲状态。这是识别过程的第一步，用于复位卡的状态机。

  1. CMD8 (SEND_IF_COND):

图 12

检查卡是否支持电压范围，并确认卡是 SD 2.0 及以上版本。主机发送电压和检查模式信息，卡返回相同信息以确认。

  • CMD55 (APP_CMD) + ACMD41 (SD_SEND_OP_COND):

组合使用以初始化卡并获取其操作条件。

  • CMD55 通知卡下一个命令是应用特定命令。

图 13

  • CMD41 向卡发送操作条件寄存器（OCR）信息，并请求卡进入就绪状态。主机会循环发送这组命令，直到卡准备就绪。

图 14

  1. CMD2 (ALL_SEND_CID):

图 15

请求卡发送其唯一的卡标识符（CID）。所有卡都会回应此命令。

  1. CMD3 (SEND_RELATIVE_ADDR):

图 16

分配一个相对地址（RCA）给卡。卡使用这个地址进行后续的命令通信。

  1. CMD9 (SEND_CSD):

请求卡发送其卡特定数据（CSD），以获取卡的特性信息，如最大传输速度、块长度等。

图 17

  1. CMD7 (SELECT/DESELECT_CARD):

选择卡以进入传输状态，准备进行数据传输。

图 18