eMMC的相關基礎知識(3)

Storage-8---eMMC時序和參數

引言：因為MMC接口允許輕松地與任何微處理器與MMC主機集成，并且嵌入式MMC控制器將Nand技術與主機隔離，所以對Nand的任何修訂或修改對主機來說都是不可見的，也不需要關注，所有這些都實現了更快的產品開發和更快的上市時間。但要想實現eMMC的高可靠性，需要嚴格測試eMMC的信號質量，并滿足JEDEC發布的標準。

1.引腳

數據總線寬度：1位（默認）、4位和8位

MMC I/F 時鐘頻率：0 ~ 200MHz

MMC I/F 啟動頻率：0 ~ 52MHz

CLK：時鐘輸入

Data Strobe：HS400模式的新配值引腳，數據選通從eMMC生成到主機。在HS400模式下，讀取數據和CRC響應與數據選通同步

CMD：用于設備初始化和命令傳輸的雙向信號，命令操作有兩種模式，開漏進行初始化和推拉快速傳輸命令

DAT0-7：雙向數據通道，它以推拉模式運行

RST_N：H/W復位信號引腳

VDDF(VCC)：提供閃存存儲器的電源電壓

VDD(VCCQ)：存儲器控制器的電源電壓

VDDI：內部功率節點，以穩定調節器輸出到控制器的核心邏輯

VSS：接地連接

RFU：保留供將來使用，不要用作任何用途

圖8-1：eMMC結構

2.傳輸模式和HS400 MODE

在時鐘的每個周期都會指示傳輸：在命令線上每個時鐘周期進行1位傳輸；在數據線上，SDR模式下所有數據線傳輸1位，DDR模式下所有數據線傳輸2位（分別在上升沿和下降沿），時鐘頻率可在最小和最大時鐘頻率之間變化（0-200MHZ）。

圖8-2：DDR狀態下的4-data-wire模式

HS400模式提高順序帶寬，特別是順序讀取性能，支持DDR數據采樣方法，CLK頻率最高可達200MHz，但只有8位的總線寬度可用，信號電平1.8V，理論上，讀取高達400MB/s，寫入200MB/s。

圖8-3：eMMC的總線速度模式

圖8-4表示I/O驅動程序強度類型（EXT_CSD寄存器：DRIVER_STRENGTH [197]）

圖8-4：eMMC的HS400模式五種驅動強度

1#：HS200和HS400設備必須支持0型驅動程序。

2#：當VCCQ=1.8 V時，標稱阻抗由輸出驅動器在0.9 V時的I-V特性定義。

3#：當VCCQ=1.2 V時，標稱阻抗由0.6 V時輸出驅動器的I-V特性定義。

0型驅動程序被定義為eMMC HS200和HS400設備的強制性驅動程序，另有四個驅動程序類型（1、2、3和4）被定義為可選，以允許支持更廣泛的主機負載。主機可以選擇設備的最合適的驅動器類型（如果支持）以實現最佳信號完整性性能。

注：1.8V信號電平和1.2V信號電平的驅動強度定義相同。

0型驅動器適用于傳輸線，基于50Ω標稱線路的分布式系統阻抗，因此，它被定義為50Ω標稱驅動器。

對于HS200，當使用CL=15pF驅動器進行測試時，0型驅動器應滿足所有交流特性

對于HS400，當使用JESD84-B51中定義的參考負載、驅動器類型0或驅動器類型1或4型驅動器應滿足所有交流特性和HS400設備輸出。

如果設備支持可選的驅動程序類型，主機可以使用它們來優化其系統，因此主機設計者可以使用設備驅動程序模型來模擬其特定系統。主機可以選擇最佳驅動程序類型，該類型可以以所需的操作頻率驅動主機系統負載產生最小的噪聲，這一點在優化信號質量和EMC方面特別有效。

Driver_STRENGTH[197]中指出了設備支持的驅動程序類型級別擴展CSD寄存器的字段。主機通過將（通過CMD6）寫入擴展CSD寄存器的HS_TIMING[185]字節中的“選定驅動器強度”字段。

圖8-5列舉了eMMC5.1新功能：

圖8-5：eMMC5.1功能

3.啟動時長

eMMC不僅支持引導模式，而且還支持替代引導模式，支持高速定時和雙數據速率。eMMC啟動時間軸回看：Digital series-Storage-7：eMMC基礎知識-2。

圖8-6：啟動程序、啟動數據和初始化時間

圖8-7：eMMC的性能指標

圖8-7是在測試條件：總線寬度x8，HS400，512KB數據包傳輸下實測的eMMC順序讀取和順序寫入的速度。

4.時序

圖8-8：總線SDR時序---數據必須始終在時鐘的上升邊緣進行采樣

圖8-9：總線SDR時序參數要求

在配置為雙數據模式操作時的DAT[7：0]信號，DAT信號與CLK的上升邊緣和下降邊緣同步運行。CMD信號仍然與CLK的上升邊緣同步運行，因此CMD信號沒有定時變化。

圖8-10：總線DDR時序---DAT[7：0]行上的數據在時鐘的兩邊進行采樣

圖8-11：總線DDR時序參數要求

如上只是SDR/DDR時序，關于HS400等等模式下的總線定時規范，可以參閱eMMC v5.1的JEDEC官方權威文檔JESD84-B51。

5.總線電平

總線信號電平，部分器件總線供電支持3.3V或者1.8V，因此所有的信號電平都與電源電壓有關。

圖8-12：總線信號電平上下閾值

圖8-13：開漏模式總線信號電平

由于Voh取決于外部電阻值（包括軟件包外部），因此此值不適用于設備規范。主機負責選擇外部上拉和開漏電阻值，以滿足Voh最小值。

eMMC輸入和輸出電壓的允許電壓范圍應在以下規定范圍內：

圖8-14：推拉信號電平-3.3V eMMC

圖8-15：推拉信號電平-1.70-1.95 VCCQ電壓范圍

其中0.7×VCCQ，適用于MMC4.3及更舊版本，0.3×適用于MMC4.3及更舊版本的0.3×VCCQ。

6.功耗

在配置系統電源樹時，eMMC的功耗是一個需要考慮的點，在功率測量條件：總線配置=x8@200MHz DDR最大RMS電流的測量為100ms周期內的平均RMS電流消耗下，eMMC各種狀態下的功耗如下：

圖8-16：不同容量eMMC運行期間的典型功耗

從圖8-16可知，eMMC容量越大，運行功耗越高，一個32GB的eMMC，考慮3.3V供電，則功耗P=3.3×0.38=1.254W，那么就需要選擇滿足可以持續輸出400mA的電源IC。

圖8-17：不同容量eMMC待機狀態下的典型功耗（巡檢讀取激活）

圖8-18：不同容量eMMC待機狀態下的典型功耗（巡檢讀取失能）

圖8-19：不同容量eMMC睡眠狀態下的睡眠功耗

注意在睡眠模式下，Nand電源可以關閉，如果Nand電源被激活，則Nand電源與待機狀態相同。

7.總線信號線負載

eMMC總線的每條線路的總電容CL為總線主電容CHOST、總線電容CBUS本身和與該線路連接的eMMC的電容器件之和：

主機和總線電容之和應在20pF以下，這幾個參數對eMMC的Layout有比較嚴格的要求。

圖8-20：eMMC關鍵R/C參數

圖8-21：HS400模式下的電容和電阻

8.如何在系統板上連接eMMC

圖8-22：eMMC互連示例

1#：利用去耦電容濾除VCC/VCCQ電源噪聲

2#：CMD和DATA[7:0]始終通過系統板上的電阻進行上拉，以防止總線浮動

3#：如果總線使用H/W復位，RSTN也上拉

4#：SR_DS和SR_CLK采用串聯電阻穩定信號