Storage-8---eMMC時序和參數(shù)

引言：因?yàn)镸MC接口允許輕松地與任何微處理器與MMC主機(jī)集成，并且嵌入式MMC控制器將Nand技術(shù)與主機(jī)隔離，所以對Nand的任何修訂或修改對主機(jī)來說都是不可見的，也不需要關(guān)注，所有這些都實(shí)現(xiàn)了更快的產(chǎn)品開發(fā)和更快的上市時間。但要想實(shí)現(xiàn)eMMC的高可靠性，需要嚴(yán)格測試eMMC的信號質(zhì)量，并滿足JEDEC發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)。

1.引腳

數(shù)據(jù)總線寬度：1位（默認(rèn)）、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(shù)據(jù)選通從eMMC生成到主機(jī)。在HS400模式下，讀取數(shù)據(jù)和CRC響應(yīng)與數(shù)據(jù)選通同步

CMD：用于設(shè)備初始化和命令傳輸?shù)碾p向信號，命令操作有兩種模式，開漏進(jìn)行初始化和推拉快速傳輸命令

DAT0-7：雙向數(shù)據(jù)通道，它以推拉模式運(yùn)行

RST_N：H/W復(fù)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(nèi)部功率節(jié)點(diǎn)，以穩(wěn)定調(diào)節(jié)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(jié)構(gòu)

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(jìn)行1位傳輸；在數(shù)據(jù)線上，SDR模式下所有數(shù)據(jù)線傳輸1位，DDR模式下所有數(shù)據(jù)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(tài)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(shù)據(jù)采樣方法，CLK頻率最高可達(dá)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(dá)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(qū)動程序強(qiáng)度類型（EXT_CSD寄存器：DRIVER_STRENGTH [197]）

圖8-4：eMMC的HS400模式五種驅(qū)動強(qiáng)度

1#：HS200和HS400設(shè)備必須支持0型驅(qū)動程序。

2#：當(dāng)VCCQ=1.8 V時，標(biāo)稱阻抗由輸出驅(qū)動器在0.9 V時的I-V特性定義。

3#：當(dāng)VCCQ=1.2 V時，標(biāo)稱阻抗由0.6 V時輸出驅(qū)動器的I-V特性定義。

0型驅(qū)動程序被定義為eMMC HS200和HS400設(shè)備的強(qiáng)制性驅(qū)動程序，另有四個驅(qū)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(jī)負(fù)載。主機(jī)可以選擇設(shè)備的最合適的驅(qū)動器類型（如果支持）以實(shí)現(xiàn)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(qū)動強(qiáng)度定義相同。

0型驅(qū)動器適用于傳輸線，基于50Ω標(biāo)稱線路的分布式系統(tǒng)阻抗，因此，它被定義為50Ω標(biāo)稱驅(qū)動器。

對于HS200，當(dāng)使用CL=15pF驅(qū)動器進(jìn)行測試時，0型驅(qū)動器應(yīng)滿足所有交流特性

對于HS400，當(dāng)使用JESD84-B51中定義的參考負(fù)載、驅(qū)動器類型0或驅(qū)動器類型1或4型驅(qū)動器應(yīng)滿足所有交流特性和HS400設(shè)備輸出。

如果設(shè)備支持可選的驅(qū)動程序類型，主機(jī)可以使用它們來優(yōu)化其系統(tǒng)，因此主機(jī)設(shè)計(jì)者可以使用設(shè)備驅(qū)動程序模型來模擬其特定系統(tǒng)。主機(jī)可以選擇最佳驅(qū)動程序類型，該類型可以以所需的操作頻率驅(qū)動主機(jī)系統(tǒng)負(fù)載產(chǎn)生最小的噪聲，這一點(diǎn)在優(yōu)化信號質(zhì)量和EMC方面特別有效。

Driver_STRENGTH[197]中指出了設(shè)備支持的驅(qū)動程序類型級別擴(kuò)展CSD寄存器的字段。主機(jī)通過將（通過CMD6）寫入擴(kuò)展CSD寄存器的HS_TIMING[185]字節(jié)中的“選定驅(qū)動器強(qiáng)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(dǎo)模式，而且還支持替代引導(dǎo)模式，支持高速定時和雙數(shù)據(jù)速率。eMMC啟動時間軸回看：Digital series-Storage-7：eMMC基礎(chǔ)知識-2。

圖8-6：啟動程序、啟動數(shù)據(jù)和初始化時間

圖8-7：eMMC的性能指標(biāo)

圖8-7是在測試條件：總線寬度x8，HS400，512KB數(shù)據(jù)包傳輸下實(shí)測的eMMC順序讀取和順序?qū)懭氲乃俣取?/p>

4.時序

圖8-8：總線SDR時序---數(shù)據(jù)必須始終在時鐘的上升邊緣進(jìn)行采樣

圖8-9：總線SDR時序參數(shù)要求

在配置為雙數(shù)據(jù)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(yùn)行。CMD信號仍然與CLK的上升邊緣同步運(yùn)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(shù)據(jù)在時鐘的兩邊進(jìn)行采樣

圖8-11：總線DDR時序參數(shù)要求

如上只是SDR/DDR時序，關(guān)于HS400等等模式下的總線定時規(guī)范，可以參閱eMMC v5.1的JEDEC官方權(quán)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(guān)。

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(shè)備規(guī)范。主機(jī)負(fù)責(zé)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(yīng)在以下規(guī)定范圍內(nèi)：

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(tǒng)電源樹時，eMMC的功耗是一個需要考慮的點(diǎn)，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(nèi)的平均RMS電流消耗下，eMMC各種狀態(tài)下的功耗如下：

圖8-16：不同容量eMMC運(yùn)行期間的典型功耗

從圖8-16可知，eMMC容量越大，運(yùn)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(xù)輸出400mA的電源IC。

圖8-17：不同容量eMMC待機(jī)狀態(tài)下的典型功耗（巡檢讀取激活）

圖8-18：不同容量eMMC待機(jī)狀態(tài)下的典型功耗（巡檢讀取失能）

圖8-19：不同容量eMMC睡眠狀態(tài)下的睡眠功耗

注意在睡眠模式下，Nand電源可以關(guān)閉，如果Nand電源被激活，則Nand電源與待機(jī)狀態(tài)相同。

7.總線信號線負(fù)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(jī)和總線電容之和應(yīng)在20pF以下，這幾個參數(shù)對eMMC的Layout有比較嚴(yán)格的要求。

圖8-20：eMMC關(guān)鍵R/C參數(shù)

圖8-21：HS400模式下的電容和電阻

8.如何在系統(tǒng)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(tǒng)板上的電阻進(jìn)行上拉，以防止總線浮動

3#：如果總線使用H/W復(fù)位，RSTN也上拉

4#：SR_DS和SR_CLK采用串聯(lián)電阻穩(wěn)定信號