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。

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：

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]：

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

原创文章，转发请注明出处。蜗窝科技，www.wowotech.net。

评论：

111

2020-08-18 21:41

https://linux.codingbelief.com/zh/

里面有flash和内存的帖子(和这个网站上的帖子一样)

eric

2020-04-26 15:52

MMC卡位从机,MMC卡为从机

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？

2017-01-20 08:35

@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)。

maze

2018-01-16 13:59

@jinxinxin163：已经有了哦.现在

King Jin

2016-12-28 16:09

大神写的真好。

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