006 eMMC Operation Mode

3.4 eMMC Operation Mode

 

①　BOOT mode

有三种情况会进入Boot Mode：Power On，HW Reset，SW Reset(CMD0+0XF0F0F0F0),此模式下，eMMC 会将BOOT Data发送给 Host。系统启动代码，Bootloader。

②　Device Identification mode

如果Boot Mode完成或不支持Boot Mode，则会进入此模式。eMMC Device 将进行初始化，Host 会为 eMMC Device 设定工作电压、协商寻址模式以及分配 RCA 设备地址。接收到CMD3（SET_RCA）会退出此模式，进入Transfer Mode模式的 Standby State。

③　Data transfer mode

Host在Identification Mode后进入此模式,Host 可以发起数据读写流程。

④　Interrupt mode

进入 Transfer Mode 后，Host可以发起命令，让Device 进入 Interrupt Mode。在此模式下，Device 会等待内部的中断事件。eMMC Device 在收到内部中断事件时，会向 Host 发送 Response，然后切换到 Data Transfer Mode，等待 Host 后续的数据读写命令。

Host 、Device 会同时进入或退出中断模式。中断模式没有数据传输，唯一允许的消息是设备发送给host已经进入中断模式。

⑤　Inactive mode

三种途径进入此模式：电压非法，访问模式非法，通过CMD15（GO_INACTIVE_MODE）

3.4.1 BOOT Mode

3.4.1.1 Pre-Idle State

三种方式可以进入Pre-idle状态：

（1）Power on 后

（2）WR Reset ---> GO_PRE_IDLE_STATE命令（CMD0 + 0xF0F0F0F0）

（3）HW Reset

 

 

● GO_PRE_IDLE_STATE或HW Reset Assert后，Device端Output Bus 将呈现高组态; Device的初始地址使用0x0001和默认寄存器设置进行初始化。

 

 

● Device可以检测到RST_n产生一段脉冲信号，通过上升沿来确定Device是否发生了Reset操作。Device 在Power On后，可能无法检测到RST_n ,因为Device没有完成加载RST_n_ENABLE 注册的控制器中。必须在1S内完成初始化，初始化最长延时为1ms, 即RST后的74个时钟周期或电源上升时间。

 

● 从机识别启动模式正在启动，并开始在内部准备启动数据。在引导操作完成之前，主机必须使用推拉模式结束。启动操作期间不支持HS200和HS400模式。

● 启动操作将在所有内容发送到主机时终止。之后启动操作已执行，从机应准备好执行CMD1操作，主机需要启动通过发送CMD1执行正常的eMMC初始化序列。

▲如果确认启动，CMD变低后50ms，则从Device 必须向Host发送确认模式“010”

命令。如果启动确认被禁用，Device将不会发送确认模式“0-1-0”。

▲应在1秒内完成内部初始化序列，CMD信号保持低电平不少于74个时钟周期，会进入Boot State。

 

 

▲ 在74个时钟周期后，在CMD信号首次拉低或者Host发送CMD1之前，Host发送参数为0xFFFFFFFFA的CMD0时，会触发Alternative Boot Operation，进入Boot State。Alternative Boot Operation是另外的触发条件，在Boot State下，如果有配置BOOT_ACK，eMMC会先发送010的ACK包，接着eMMC会将最大的128KB * BOOT_SIZE_MULT 的 Boot Data发送给Host。

 

▲ 在传输过程中，Host可以通过拉高CMD信号（Original Boot中），或者发送Reset命令（Alternative Boot）来中断eMMC的数据发送，完成Boot Data传输。

 

Boot Data根据Extended CSD Register的PARTITION_CONFIG Field的 Bit[5:3],

BOOT_PARTITION_ENABLE的设定，可以通过Boot Area Partition 1&2,User Data Area读出。通常Boot Data 会存储在Boot Area中，这样可以减少意外修改导致系统无法启动，同时避免无法更新系统的情况的出现。

有二个BOOT分区，每个分区大小最小为128KB的倍数，BOOT分区与User Area是分离的，单独编地址。可以使用CMD6来设置BOOT_PARTITION_ENABLE = 1从BOOT Area启动 ，否则从User Area 启动，进入Pre-Boot State，如果BOOT_PARTITION_ENABLE = 0 或不支持BOOT Mode，则直接进入Idle State

3.4.1.2 Pre-Boot State

Power-UP 或 Reset后，且发送第一个命令CMD1之前，CMD LINE 要保持至少74个周期的低电平，Device 识别到，进入Boot State 执行初始化，并准备BOOT DATA。

若是CMD Lines 没有保持74个时钟周期的LOW，又若是Host 在初始话过程之前发送任意的正常eMMC 命令的话，Slave 应该没有任何反应且会退出Boot Mode 到 Idle State状态，即Card Identification Mode

3.4.1.3 BOOT State

● 主要进行BOOT 数据的读操作

Host要读取的Partition，DATA SIZE可以通过Extended CSD 来设置。Host 必须保持CMD信号为Low来读取所有BOOT数据，或发送CMD0 + 0xFFFFFFFFA 来读取BOOT数据。当BOOT 数据读取操作完成后，BOOT操作将会终止

● Host 必须采用PUSH-PULL模式，直到BOOT Mode结束。

● HS200&HS400在BOOT Mode 不支持。Host 可以设置是否从Device接收BOOT Acknowledge。

● 通过拉高CMD Line则会终止BOOT State进入Idle State，从此进入 Identification Mode。从此离开BOOT Mode进入到Card Identification Mode。

● Host 可以采用Single data rate（SDR）或 dual Data rate(DDR)。

SDR Mode，数据由设备发出的时钟控制而Host则在时钟上升沿取样，而且每个DATA line都有一个单独的CRC内容。

DDR Mode，数据则会在时钟上升沿或者下降沿同时取样，而且每个data line 有二个CRC内容，在这个模式下，Block Length 总是512 Bytes,而且数据则会以4Bit或8Bit模式交叉出现。奇数Bytes(1,3,5)会被Host在时钟上升沿取样，偶数（2,4,6）则被Host在时钟的下降沿取样，设备会附加二个CRC16到每个有效地址 data line上,若是4bit数据模式，则有4个line 是无效的，一个对应上升沿的奇数Byte，一个对应下降沿的偶数Byte。

所有DATA Line的时序都是应该按照DDR时序来，开始Bit ，结束Bit，还有BOOT Acknowledge 只在时钟上升沿有效，如果这些数据在下降沿则是无效的。

● 进入 BOOT State后：

若是BOOT Acknowledge 被激活，在CMD信号被Low 之后的50 ms 内，Slave 必须发送Acknowledge 内容 “010”到Host。

若是BOOT Acknowledge 没有被激活，Slave 不会发送。

● 在CMD Line 变低的 1s 内，Device 必须发出第一个数据给Host。

● 当拉高CMD line后需要经过至少56个Clock ，才可以发送CMD1

●Host 选择从那个Partition读取BOOT数据是可以被提前设置的EXT_CSD Byte[179],Bits[5:3],Master 可以读取BOOT 数据大小，也可以计算的 128KB * BYTE_SIZE_MULT（EXT_CSD Byte[226]）。

● Host 可以通过设置EXT_CSD Byte [179],Bit 6 来选择是否从Slave 接收Acknowledge，若是选择接受Host可以通过Acknowledge确认Slave是在BOOT模式中运行。

● 在数据传输阶段若是Host把CMD拉高，Slave必须在Nst个时钟周期内终止数据或者Acknowledge 内容传输。Nst 值为一个数据周期和一个结束Bit周期。若是在Block 传输过程中，Master终止了BOOT，则Slave 必须在Nst 个时钟周期内释放DATA Lines。

3.4.2 Device Identification Mode

● Device Identification Mode，本模式下所有数据通信都会在CMD Line上完成，

（1）Host Reset Device

（2）检查操作电压范围和访问方式

（3）识别电压

（4）指定Bus上Device RCA（ Relative Device Address）

● 四种情况会进入Idle State

①　完成BOOT Mode 操作

②　BOOT Mode下CMD line保持电平时间少于74个时钟

③　Power-ON 后，如果不支持BOOT 启动；

④　直接发送CMD0 + 0x00000000 均将进入Idle State，此会进入Device Identification Mode

● 进入Idle state

①　输出总线将保持高阻状态

②　Device 的RCA 地址会被初始化为0x0001

③　驱动能力设置为默认值

④　Host提供Clock时钟，此时时钟Identification Clock Rate

3.4.2.1 Host Reset Device

● 除了Inactive State,CMD0 + 0x00000000 在state下都是有效的，可以将Device Reset到Idle state。为了兼容，除了Inactive State，任何状态下若果收到CMD0 且参数不是0xFFFFFFA 或者0XF0F0F0F0, Device都会执行Reset到Idle State。

● Host 在除了Inactive 和 Pre-BOOT 状态之外使用CMD0 + 0xFFFFFFA 命令，设备会认为重启命令且变为Idle状态

3.4.2.2 访问模式

● SEND_OP_COND (CMD1)命令和OCR寄存器包含二个位来指明Memory 所支持的访问模式。

● CMD1的二个位表明Host是否有能力处理Sector寻址，而OCR 寄存器内的二个位表明了设备是否支持Sector寻址。

● OCR寄存器的二个位只有在CMD1 命令的最后一个，Response 中有效，也就是设备进入Ready状态后才有效，若是Host 没有指明是否有处理Sector 寻址的能力话，大约2GB的Memory会把状态切换为Inactive 从OCR register的二位中，Host 可以把设备从其他Byte寻址的设备中区分开来。

● Host， 0x00FF8080(容量小于2GB)或者0x40FF8080(容量大于2GB)，且不会变化到Inactive state，此时Host 必须重复发送CMD1 直到Busy bit被清除

● 若设备在进入Ready state时，表明CMD1 执行完毕，Device应该给主机回应 0x80FF8080(容量小于2GB）或0xC0FF8080(容量大于2GB)来表明大小

3.4.2.4 工作电压

● Host 可能会改变设备电压，若是Host 把设备的电压范围设置到一个新的范围，设备应该完全的关闭且以新的电压范围重启。若是电压范围1.95V -2.7V被使用，双电压设备可能会失败

● 初始化过程中不允许改变电压范围，如果确实需要改变电压范围，Host必须要Reset Device 通过CMD0 + 0x00000000,然后重新执行初始化进程

● 如果要访问处于Inactive state 的Device ，必须执行硬件Reset ，掉电然后上电

3.4.2.5 设备识别过程

From Net

有多个Device，且向前兼容，开始执行Device Identification 过程时，Host必须处于 Open-Drain模式下，CMD Line为 Open-Drian  则允许在设备识别阶段多个设备并行操作，Identification Clock 为FOD

（1）Device 被激活后，Bus 一般进入Idle state，host发送CMD1请求device 发送它的有效操作电压范围，若果不兼容的设备将进入Inactive state，如果兼容设备将发送回应给Host告知其他电压操作条件

（2）Host 发送CMD2 ，要求所有device回复它的CID，任何未识别设备，处于ready state一个一个发送CID 给Host

（3）若是有些设备发送的CID和他们标示的CID不符合，则立即停止发送停止发送CID且必须等待下一个识别周期，保持在Ready状态，因为CID是每个设备唯一识别码，应只有一个设备成功的发送起具全部CID数字到Host。此设备随即进入到Identification 状态、

（4）此后Host发送CMD3(SET_RELATIVE_ADDR)命令，来指定此设备一个RCA(Relative Device Address),此RCA 比CID码短会在将来Data transfer mode，一般Clock 会高于FOD中用于寻址设备。

（5）一旦Device收到RCA , Device 将会进入stand by state,且设备不会对未来的识别周期做出任何反应

（6）Device 将Open-drain 调整为PUSH-PULL

（7）Host 重复其识别过程，即CMD2 和CMD3命令，如果没有设备响应这个命令（通过识别超时），则会认为所有Device 识别结束。识别超时是发送CMD2 之后超时Nid 时钟周期之后没有Device 回应Start位，则判定为识别超时。

3.4.3 Interrupt Mode

Interrupt mode：有效的保证了从Host到Device的同步传输。这种模式减少了Polling 导致的系统负载和系统功耗，从而保证Host对Device请求的服务做出及时的响应。无论对于Host还是Device ，Interrupt Mode 都是可选的。

（1）Host 在向Device 发送CMD40（GO_IRQ_STATE）之前，必须保证Device 在 Stand-by Mode.在等待Device 给出中断回应的时候，Host 必须保证Clock 信号有效，可以根据响应时间来调节Clock Rate

（2）Host 使用CMD40（GO_IRQ_STATE），让Device 进入wait -IRQ state，一旦Device进入wait -IRQ State,它会等待Device 内部的IRQ 事件到来，一旦IRQ 内部事件到来，Device 会通过回应发送给Host，响应是以open-drain 模式发送，并回到stand-by state .

（3）在等待内部中断事件的时候，Device也在等待Command line 上start bit，在没有中断事件时，一旦检测到command line的 start bit， Device 将终止中断模式并转换到 stand-by state.

（4）在CMD40回应期间，无论是否拥有总线控制权，设备会切换到stand -by 模式

（5）Host 收到中断回应后，Host回到标准数据传输阶段

（6）若是Host 想在中断回收之前终止中断模式，可以选择自己造一个CMD40回应（Device bit = 0），且使用保留的RCA地址0x0000; 这会Device 从Wait -IRQ STATE 进入Stand-by state. 现在Host 可以恢复到标准数据传输阶段了。

3.4.4 DATA Transfer Mode

3.4.4.1  DATA Transfer Mode 概述

1. Data Transfer mode 下的所有的数据通信都是Host和选中的Device之间点对点的，所有带有RCA参数的命令都会在CMD Line上获得回应。

1. 当Device 被指定RCA后，它将不再响应Identification Mode的命令：CMD1，CMD2，CMD3。CMD3 SET_RELATIVE_ADDR 用来给设置设备的relative device address(RCA)，设备收到CMD3后，会立刻从identification mode进入Stand-by State，并且不会再响应任何identification。

1. 重启设备CMD0，CMD1 或者硬件重启，或者停电会终止任何将要发送或者正在写入的操作，这会引起一些或者全部被寻址的数据进入一个未知状态，除非使用Reliable Write 来保证写入的可靠性。Host 有职责来防止这种情况发生。
2.  命令在配置为DDR传输模式时是不被允许的，且会被作为无效命令，Bus Testing （CMD19 和 CMD14 ），Lock -Unlock (CMD 42)和 set block length（CMD16）

3.4.4.2 Data Transfer Mode 状态转换说明

● Stand-by State

①　当Device 回到Stand-by的时候，通过Command line 和 Data line 通信时是工作在Push-pull模式。

②　在Host 读取全部CSD寄存器之前，FPP时钟必须维持在FOD。Host发生SEND_CSD（CMD9）命令来得到Device Specific Data CSD，即Block length，设备存储大小，最大时钟频率等内容。 

③　广播命令SET_DSR（CMD4）会配置Device 的驱动能力，此命令会根据应用的总线布局和数据传输速率来编辑其DSR。时钟由FOD切换成FPP。

④　Stand-By state下，Host通过发送命令CMD7将对应RCA的Device 设为Transfer

State。

⑤　Host 通过发送命令CMD7 （0x0000）,则Device 回到 Stand-by state

● Transfer State

①　如果向前已经在transfer state，host通过发送命令CMD7 （参数为任何不等于RCA的值），则Device将离开transfer state回到 stand-by。

②　如果向前已经在 transfer state，Host通过发送命令CMD7（参数为当前Device的RCA），则Device 将忽略此命令，且可能会被认为是非法命令。

③　所有的数据读取命令可以用停止命令CMD12，在任何时候终止。数据传输会终止且设备会返回到transfer state。数据读取命令包括：block读取CMD17，Multiple Block（CMD18），send tuning Block（CMD21）和 Send write protect（CMD30），这些命令会让Device 从transfer state切换到 Send data state。

④　所有写数据命令可以用停止命令（CMD12）在任何时候终止，写命令必须在使用CMD7命令反选Device 之前被停止掉。写数据命令包括了：Block Write（CMD24和CMD25），Write CID（CMD 26），Write CSD (CSD27 ),这些命令会让transfer state 切换到 Receive -Data state。

⑤　设备可以为Block write 提供 Buffering 功能，这意味着之前Block 在写入的时候，下一个Block 的可以被送到设备里。

⑥　对于Write CSD ,Write CID ,write protection and erase 是没有Buffering 功能的，这意味着Device为上述某个命令工作的时候，其他的数据传输命令是不会被接收的。Device是 Busy 且处于Programming 状态时，DATA0 Line 会保持 Low

● Receive data state

①　当数据传输结束时，Device 会退出写数据状态且移动到Programming state（传输成功）或Transfer state（传输失败）。

②　若写一个Block操作被停止，但最后一个Block的CRC和length 都有效，则数据会被写入。

● Disconnect state

①　当设备处于Disconnect state，CMD7（参数为当前Device 的RCA）用于选择设备并转换为Programming state

②　在Disconnect state 的Device 可以重新选择CMD7.此情况下Device 会移动到 Programming 状态且重新激活Busy 标示

● Programming state

①　如果先前已经在programming state，Host 通过发送命令CMD7 （参数为任何不等于RCA的地址值），则Device 将离开Programming state回到Disconnect state。

②　如果向前已经在 transfer state，Host通过发送命令CMD7（参数为当前Device的RCA），则Device 将忽略此命令，且可能会被认为是非法命令。

③　Device 在被写入的时候Parameter设置命令是不允许被接受的，Parameter设置命令包括了：set Block length (CMD16), Erase Group Selection(CMD 35-36)

④　把另外一个Device 从stand-by 转换到Transfer （CMD7）是不会终止写入操作的，此设备转换为Disconnect 状态且释放DATA0 的控制权

● Bus Test State

在执行Bus testing阶段之前（CMD19 CMD14），建议设置数据传输的时钟频率，这样的话Bus Test给出一个真实的数据。若是测试的时钟频率小于实际数据传输频率则测试结果是错误的

3.4.5 Inactive State

在data transfer mode 下。除Sleep State外，其他任何状态下发送CMD15 可在需要的时候，让Device 进入Inactive State

3.4.6小结：关键状态转换

INIT状态转换:

---> Power on

---> CMD0 （IDLE state）

---> CMD1 ---> Ready state

---> CMD2 ---> Identification state

---> CMD3 ---> stand-by

---> CMD7 ---> Transfer state

Read Data 状态转换

---> Transfer state

---> CMD 8 ---> Sending data state

---> CMD12 ---> Operating Complete

---> Transfer state

Write Data 状态转换

---> Transfer state

---> CMD4 --->Receive data state

---> Transfer Complete ---> Programming State

---> Operation Complete ---> Transfer state

 -==================================================================-