基于嵌入式系统的多媒体存储卡接口设计

1 MMC(多媒体卡)简介
    MMC卡(Multimedia Card)是由美国SanDisk公司和德国西门子公司在1997年共同开发研制的一种多功能、体积小巧而容量大的快闪存储卡。1998年1月十四家公司联合成立了MMC协会(Multi-Media Card Association简称MMCA)。MMC卡的发展目标主要是针对移动电话、数码相机、数码摄像机、MP3音乐、PDA、电子书、玩具等产品。MMC卡在一定程度上改善了CF卡读写速度较慢的缺点，并且体积轻巧，抗冲击性强，可反复读写30万次左右。MMC卡4.0标准提供了更宽的数据带宽和更快的传输速率，并支持双电压操作模式。MMC存储卡还具备存储区纠错能力和低功耗特性，如果在5 ms内没有接收到命令控制字，MMC卡会自动转入休眠状态，MMC卡同时还支持热插拔。
    MMC存储卡可以分为MMC和SPI两种工作模式，MMC模式是MMC卡的标准默认模式，具有MMC的全部特性。而SPI模式则是MMC存储卡可选的第二种模式，这个模式是MMC协议的一个子集，主要用于只需要小数量的卡和低数据传输率的系统，这个模式可以把设计成本减到最小，但性能不如MMC工作模式。

2 MMC的结构及工作原理
2.1 MMC卡的引脚及功能
    MMC卡通常设计为一种低成本的数据平台和通讯介质，目前MMC存储卡的容量可达2 GB。它的接口设计非常简单：MMC卡采用7针的接口(如图1所示)，低成本的串行总线时钟频率可达20MHz,MMC的工作电压为2.7 V～3.6 V，写/读电流只有27 mA和23 mA。它的读写模式包括流式、多块和单块。最小的数据传送是以块为单位的，缺省的块大小为512字节。

    MMC读写接口机可在MMC和SPI两种通信协议下工作，MMC是MMCA协会开发的高性能三线制通信协议，即图l中的CMD、CLK和DAT三根线，可寻址64 000张MMC卡，单个物理寻址可叠放30张卡，支持顺序读/写、单/多数据块读/写操作，MMC工作模式是MMC卡默认的通信协议。SPI协议作为MMC卡的可选协议，工作效率不及MMC协议，但SPI协议简单易用、兼容性好、便于嵌入式系统连接使用。表1是MMC卡使用SPI协议时的引脚定义。

2.2 MMC卡的内部逻辑结构及功能
    MMC卡的内部逻辑结构可分为四部分：MMC/SPI通信协议接口、单芯片控制器、数据闪存模块、控制线和数据线。MMC/SPI接口实现与主控制器的通信；单芯片控制器完成接口协议、数据存储检索、纠错码算法、故障判断处理、电源管理和时钟控制等功能；数据闪存模块可以实现整个存储区空间的单字节访问；控制线和数据线可以实现单芯片控制器与数据闪存模块的访问。
2.3 MMC/SPI通信协议
    MMC卡上电后，以默认方式进入MMC协议模式，如果要转入SPI协议模式，还需要进行协议模式切换。如果要从SPI协议模式转入MMC协议模式，则只能切断电源后重新通电，本设计采用SPI通信协议。
2.4 MMC卡的文件系统
    MMC卡的文件格式定义并不包括在系统规范内，不过为了提高资料的交换性，还是定义了三种基本的文件系统，其中除了不带分区的DOS-FAT文件系统和类似硬盘带分区的文件系统外，开发者还可以定义自己独特的文件系统。这些定义同样使得MMC卡具有广泛的操作平台(如DOS、Windows系统)支持性。

3 MMC(多媒体卡)的SPI协议
3.1 SPI通信协议模式及接口简介
    SPI是一个高速同步串行输入/输出端口或同步串行外围接口，是一种通用同步串行接口总线，字长为8位，主要用于与各种外围器件进行通讯。SPI接口很容易与许多厂家的各种外围器件直接相连，这些外围器件可以是简单的TTL移位寄存器、复杂的LCD显示驱动器或A/D转换子系统。还可应用于嵌入式系统、MCU与外部移位寄存器、D/A转换器、A/D转换器、串行EEPROM、LED显示驱动器等外部设备之间的通信接口扩展。SPI接口有主、从两种工作模式，在多主机系统中，SPI还可用于不同MCU之间的通讯。SPI接口的传送速率可编程，其内部有125个可编程的波特率，接收或发送操作均可通过中断或查询方式来进行。整个工作状态要通过设置其内部的几个控制寄存器来完成，如：
    (1)SPICCR：SPI配置控制寄存器。
    (2)SPICTL：SPI操作控制寄存器。
    (3)SPISTS：SPI状态寄存器。
    (4)SPlBRR：SPI波特率寄存器。
    (5)SPIRXEMU：SPI仿真缓冲寄存器。
    (6)SPIRXBUF：SPI串行输入缓冲寄存器。
    (7)SPITXBUF：SPI串行发送缓冲寄存器。
    (8)SPIDAT：SPI串行数据寄存器。
    (9)SPIPRI：SPI优先级控制。
    如图2和表1所示，SPI接口利用CLK、DataIn、DataOut三线进行数据的读写操作，其中，CLK为时钟信号，由外部控制器提供，DataIn和DataOut为数据输入和输出线，CS是MMC卡的片选信号线，在整个SPI操作过程中，CS必须保持低电平有效。

3.2 MMC卡命令的CRC校验
    MMC卡在数据处理时为了确保数据存储的准确性，均采用了CRC校验字，MMC卡的CRC校验分为两种：CRC7和CRCl6。CRC7适合于MMC卡的所有命令，只有应答信号格式为R3的除外，它的算法表达式为：G(x)=x7+x3+1。CRCl6用于数据块传输模式的保护处理，它的算法表达式为：G(x)=x16+x12+x5+1 。
3.3 MMC卡的命令及答复信号
    所有MMC卡的命令字长度为6个字节，传输从高位开始，且包含一个CRC校验字，命令字的格式如表2所示。

3.3.1 MMC卡的命令
    MMC卡的命令字共分为10个命令组，每组由多个命令字组成。SPI协议模式下支持其中的6个命令组，可实现基本设定、数据块读、数据块写、擦除、写保护和MMC卡锁定等功能。以堆栈的检查管理命令CIM_CHECK_STACK为例，它是命令组中的基本设定命令之一，主要是通过命令SEND_CSD(CMD9)来读取MMC卡的信息后，与进入系统中堆栈表的接口卡信息对比，如果不是上一张卡，再判定是否超时和超出卡的数量，从而确定该卡是否已进入系统。堆栈的检查管理命令流程图如图3所示。

3.3.2 MMC卡的应答信号格式 
    对于MMC卡的命令，MMC卡有多种应答信号格式，其应答信号的传输也是从高位开始，在SPI协议模式下，有5种应答信号格式：即Rl、R2、R3、Busy和Rlb。
    接收到每个命令字后，MMC卡都会发送一个格式为R1的应答信号(除卡状态查询命令字CMDl3外)，此应答信号为1字节，最高位为O，其他位为错误标志，如表3所示。

    Busy格式应答信号的长度为多个字节，各位均为0时，表示卡正忙，如果存在非O位，表明MMC卡已经准备好接受下一个命令。
    R2格式应答信号的长度为2个字节，用于答复卡状态查询命令字CMDl3，首字节同R1，第2字节表示的是错误类型，如表4所示。

    R3格式应答信号的长度为5个字节，用于答复卡内OCR寄存器，R3的首字节同Rl，其余4字节为OCR寄存器的内容。
    Rlb格式应答信号包括两部分，Rl格式部分和Busy格式可选附加部分。

4 MMC与嵌入式系统的接口
4.1 硬件设计
    图2是MMC卡与嵌入式系统芯片的硬件接口，图中可增加一个片外存储器作缓存芯片，采用Port C的硬件SPI接口对MMC卡进行读写操作，对MMC卡的文件系统进行读写操作可参阅参考文献[4]。

4.2 软件设计
    访问MMC卡存储单元前，需要设定访问块的长度，默认的长度为512个字节，系统通过写缓存储芯片，当写入的数据达到512个字节后即转入主存MMC，故读写长度不再设定。MMC格式化为FAT文件系统的结构后，数据以文件的形式保存，这样方便上位机对主存MMC的读取。
    MMC接口的部分软件设计流程如图4所示。

    SPI模式支持单数据块和多数据块的写命令，以下的程序为单数据块写子程序的部分代码：

5 结束语
    和CompactFlash一样，MMC也是把存储单元和控制器一同做到了卡上，智能的控制器使得MMC保证了较好的兼容性和灵活性。实际上所有的MMC是向上兼容的，而且能保证与以后出现的新规格的产品兼容。Sanyo和Fujitsu联合推出了Secure MMC，这种新的MMC采用了Hitachi的SuperHRISC微处理器内核，能高速执行与安全相关的操作(如加密解密等)，具有很强的版权保护功能，Secure MMC也是向上兼容的，可以插入MMC插槽中使用，这种卡配合应用Hitachi、Sanyo和Fujitsu开发的UDAC-MB(universal distribution with accesscontrol-media base)版权保护技术，可以用于提供基于移动电话的音乐发行服务，且具有低功耗、携带方便、性能价格比高等特点。