文/曹劍鋒（陜西秦泰陽光電力工程有限公司）

一、整體結(jié)構(gòu)

整體上，系統(tǒng)由FPGA芯片、eMMC芯片、電源及周邊電路、上位機(jī)等部分組成。本設(shè)計采用4片支持eMMC5.1標(biāo)準(zhǔn)的eMMC芯片組成磁盤陣列，4片eMMC芯片單獨連接至FPGA。FPGA內(nèi)部實現(xiàn)了eMMC磁盤陣列控制器用于控制eMMC磁盤陣列。為了對設(shè)計的控制器進(jìn)行測試驗證，F(xiàn)PGA內(nèi)部還實現(xiàn)了一個萬兆網(wǎng)模塊，通過光模塊與具備萬兆網(wǎng)卡的上位機(jī)連接，編寫了上位機(jī)軟件用于讀寫eMMC磁盤陣列。本文介紹的是設(shè)計eMMC磁盤陣列控制器的設(shè)計思想。

二、eMMC陣列控制器

eMMC磁盤陣列控制器主要由同步傳輸控制模塊和4個eMMC驅(qū)動模塊組成。4個eMMC驅(qū)動模塊分別連接4個eMMC芯片。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

eMMC驅(qū)動模塊直接和eMMC芯片打交道，該模塊實現(xiàn)對其所連接的eMMC芯片進(jìn)行初始化和讀寫操作等功能。該模塊向下連接eMMC芯片，向上連接同步傳輸控制模塊。執(zhí)行同步傳輸控制模塊發(fā)來的命令，控制eMMC作出相應(yīng)的動作；讀取eMMC反饋的狀態(tài)信息，向同步傳輸控制模塊發(fā)送運行狀態(tài)信息。同時，當(dāng)執(zhí)行讀操作時，從eMMC獲取數(shù)據(jù)，向同步傳輸控制模塊發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)執(zhí)行寫操作時，獲取同步傳輸控制模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)，發(fā)送給eMMC寫入。

同步傳輸控制模塊實現(xiàn)了4片eMMC芯片數(shù)據(jù)的同步讀寫、同步控制、提供統(tǒng)一對外接口等功能。同步傳輸控制模塊向下連接4個eMMC驅(qū)動模塊，向上形成eMMC磁盤陣列控制器的對外接口，用于連接萬兆網(wǎng)模塊。連接萬兆網(wǎng)模塊的接口包括數(shù)據(jù)接口和控制接口，數(shù)據(jù)接口采用標(biāo)準(zhǔn)AXI-stream接口，控制接口包括命令和狀態(tài)信號。

eMMC驅(qū)動模塊連接eMMC的信號包括8位數(shù)據(jù)信號、命令信號、時鐘信號等；同步傳輸控制模塊連接每個eMMC驅(qū)動模塊的接口包括數(shù)據(jù)接口和控制接口，其中數(shù)據(jù)接口信號包括8位讀數(shù)據(jù)信號、8位寫數(shù)據(jù)信號，控制接口包括命令信號和狀態(tài)信號。

（一）同步傳輸控制模塊

同步傳輸控制模塊主要包括數(shù)據(jù)FIFO和狀態(tài)控制模塊。數(shù)據(jù)FIFO建立了萬兆網(wǎng)模塊與eMMC驅(qū)動模塊之間的數(shù)據(jù)通道。當(dāng)進(jìn)行寫操作時，數(shù)據(jù)從萬兆網(wǎng)模塊通過寫數(shù)據(jù)FIFO傳送到eMMC驅(qū)動模塊。當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取操作時，數(shù)據(jù)由eMMC驅(qū)動通過讀數(shù)據(jù)FIFO傳送到萬兆網(wǎng)模塊。

狀態(tài)控制模塊收集各個模塊的工作狀態(tài)和來自上位機(jī)的命令，控制各個模塊協(xié)同工作，完成讀寫傳輸操作。

狀態(tài)控制模塊連接著萬兆網(wǎng)模塊的控制接口，能夠接收萬兆網(wǎng)模塊發(fā)來的來自上位機(jī)的命令，并能夠?qū)MMC磁盤陣列控制器的工作狀態(tài)傳輸給萬兆網(wǎng)模塊，進(jìn)而上報上位機(jī)，實現(xiàn)對eMMC磁盤陣列控制器的操作。

狀態(tài)控制模塊連接著4個eMMC驅(qū)動模塊的控制接口，能夠獲取eMMC驅(qū)動模塊報告的工作狀態(tài)；能夠向eMMC驅(qū)動模塊下發(fā)命令，控制eMMC驅(qū)動模塊的讀寫等操作。

狀態(tài)控制模塊連接著讀數(shù)據(jù)FIFO和寫數(shù)據(jù)FIFO，能夠獲取各個FIFO的工作狀態(tài)，能夠根據(jù)萬兆網(wǎng)模塊來的命令和eMMC驅(qū)動模塊的工作狀態(tài)控制各個FIFO的工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步讀寫傳輸操作。

（二）eMMC驅(qū)動模塊結(jié)構(gòu)

eMMC驅(qū)動模塊具體實現(xiàn)了對eMMC芯片的各種操作。eMMC驅(qū)動模塊由命令接口模塊、數(shù)據(jù)接口模塊、初始化模塊和讀寫控制模塊等組成。

圖2 eMMC陣列控制器結(jié)構(gòu)圖

命令接口模塊用于在CMD信號線上發(fā)送命令和接收響應(yīng)。該模塊形成eMMC標(biāo)準(zhǔn)命令格式的48位命令數(shù)據(jù)，將命令數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，并通過CMD信號線發(fā)送給eMMC芯片；通過CMD信號線接收eMMC芯片返回的響應(yīng)數(shù)據(jù)，并將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)，然后解析eMMC芯片的響應(yīng)數(shù)據(jù)，以便判斷命令是否成功執(zhí)行，獲取eMMC芯片的工作狀態(tài)等。命令接口由狀態(tài)控制模塊、命令形成模塊、響應(yīng)解析模塊等部分組成。

數(shù)據(jù)接口模塊用于在eMMC芯片數(shù)據(jù)線上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接口模塊由發(fā)送數(shù)據(jù)模塊和接收數(shù)據(jù)模塊組成。本設(shè)計采用HS400工作模式，數(shù)據(jù)會在時鐘的上升沿和下降沿傳輸。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送數(shù)據(jù)模塊按照eMMC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)格式在8根數(shù)據(jù)線上送出數(shù)據(jù)包，即1個周期的開始信號、256個時鐘周期共512字節(jié)數(shù)據(jù)、16個周期的CRC數(shù)據(jù)和一個結(jié)束信號；當(dāng)接收數(shù)據(jù)時，接收數(shù)據(jù)模塊接收8根數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)包，即1個周期的開始信號、256個周期共512字節(jié)數(shù)據(jù)、16個周期的CRC數(shù)據(jù)和一個結(jié)束信號。在接收256個時鐘周期的數(shù)據(jù)時計算CRC，在接收完數(shù)據(jù)包后將計算的CRC與接收到的CRC比較，若相同則接收成功，若不同則接收失敗。

初始化模塊用于對eMMC芯片進(jìn)行初始化，使其進(jìn)入傳輸模式，以便進(jìn)行讀寫操作。同時，初始化模塊用于監(jiān)控eMMC的工作狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)故障時，初始化模塊重新對eMMC芯片執(zhí)行初始化操作。初始化模塊還向同步傳輸模塊報告eMMC芯片的工作狀態(tài)。初始化模塊包括初始化狀態(tài)機(jī)模塊和狀態(tài)監(jiān)測模塊。初始化狀態(tài)機(jī)用于執(zhí)行eMMC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的初始化流程，狀態(tài)監(jiān)測模塊用于監(jiān)測eMMC工作狀態(tài)。初始化模塊接收同步傳輸模塊發(fā)來的命令，向命令接口模塊發(fā)送需要發(fā)送的命令，并接收命令接口模塊報告的eMMC工作狀態(tài)。

讀寫控制模塊用于實現(xiàn)對eMMC芯片的讀、寫、擦除等操作功能。讀寫控制模塊包括讀控制模塊、寫控制模塊、擦除控制模塊等部分。當(dāng)讀寫控制模塊收到同步傳輸控制模塊發(fā)來的命令時，根據(jù)指令執(zhí)行不同的操作流程。讀寫控制模塊向命令接口模塊發(fā)送命令，使所連接的eMMC芯片進(jìn)入讀、寫或者擦除的工作狀態(tài)；讀寫控制模塊接收命令接口模塊回報的狀態(tài)，即所連接的eMMC芯片進(jìn)入的讀、寫或擦除狀態(tài)后，控制數(shù)據(jù)接口模塊進(jìn)行讀、寫數(shù)據(jù)操作。

（三）命令接口模塊設(shè)計

命令接口模塊的作用主要是向eMMC芯片發(fā)送串行命令和接收eMMC芯片的響應(yīng)。命令接口模塊依據(jù)初始化模塊或者讀寫控制模塊發(fā)來的命令生成符合eMMC規(guī)范的命令包，發(fā)送給eMMC芯片；解析eMMC芯片發(fā)回的響應(yīng)，判斷命令是否成功執(zhí)行，并向上返回狀態(tài)。

在命令接口模塊發(fā)送命令的時候遵循一定的流程進(jìn)行。一般情況下，命令接口模塊處于IDLE狀態(tài)，等待新命令。

當(dāng)初始化模塊或者讀寫控制模塊向命令接口模塊下發(fā)新命令時，命令接口模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)化為START，在此狀態(tài)下，向CMD信號線發(fā)送開始信號。隨后狀態(tài)轉(zhuǎn)換為DIR狀態(tài)，向CMD信號線發(fā)送方向信號。接著狀態(tài)切換到CMD狀態(tài)，向CMD信號線發(fā)送6個時鐘周期的CMD數(shù)據(jù)。隨后是PARA狀態(tài)，向CMD信號線發(fā)送32位參數(shù)數(shù)據(jù)。在發(fā)送從START到PARA的數(shù)據(jù)過程中計算7位CRC，在發(fā)送完P(guān)ARA數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換為CRC狀態(tài)并發(fā)送計算的CRC數(shù)據(jù)，最后轉(zhuǎn)化為END狀態(tài)并發(fā)送結(jié)束位。這樣就完成了一個命令的發(fā)送操作。

當(dāng)命令發(fā)送完成后，模塊接收eMMC芯片的響應(yīng)。命令接口模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)換為START狀態(tài)，并在這一狀態(tài)等待CMD信號線上出現(xiàn)開始信號。當(dāng)開始信號出現(xiàn)后，狀態(tài)轉(zhuǎn)換為DIR狀態(tài)，接收方向信號。然后轉(zhuǎn)換為CMD狀態(tài)接收6位命令碼，并確認(rèn)接收到的6位命令碼是剛才發(fā)送命令的響應(yīng)。隨后轉(zhuǎn)換為PARA狀態(tài)接收32位參數(shù)，此參數(shù)可以包括eMMC當(dāng)前的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)等，由此可以判斷命令是否成功執(zhí)行。接收上述數(shù)據(jù)時計算CRC。接收完P(guān)ARA數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換為CRC狀態(tài)，接收CRC數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)換為END狀態(tài)，并在這一狀態(tài)驗證CRC以判斷響應(yīng)是否正確接收。由此即可完成一次響應(yīng)的接收。

（四）數(shù)據(jù)接口模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)接口模塊的作用是向eMMC芯片發(fā)送數(shù)據(jù)和接收eMMC發(fā)來的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接口模塊依照eMMC 5.1標(biāo)準(zhǔn)中HS400工作模式形成數(shù)據(jù)包和解析接收到的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接口模塊接收讀寫控制模塊傳來的數(shù)據(jù)，按照發(fā)送流程發(fā)送給eMMC芯片，并檢查寫入是否成功；接收eMMC芯片發(fā)來的數(shù)據(jù)，并檢查接收到的數(shù)據(jù)是否存在錯誤，成功接收后將數(shù)據(jù)上傳讀寫控制模塊。

發(fā)送數(shù)據(jù)時，當(dāng)讀寫控制模塊準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后，向命令接口模塊和數(shù)據(jù)接口模塊發(fā)送寫數(shù)據(jù)命令。數(shù)據(jù)接口模塊從IDLE狀態(tài)轉(zhuǎn)換為START狀態(tài)，在此狀態(tài)下在8位數(shù)據(jù)線上發(fā)送1個時鐘周期的開始信號，然后轉(zhuǎn)化為DATA狀態(tài)。在DATA狀態(tài)下，發(fā)送256個時鐘周期的數(shù)據(jù)信號，數(shù)據(jù)信號在時鐘的上升沿和下降沿發(fā)送，一個時鐘周期發(fā)送2字節(jié)數(shù)據(jù)，共發(fā)送512字節(jié)數(shù)據(jù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)時計算CRC，當(dāng)完成發(fā)送數(shù)據(jù)時狀態(tài)轉(zhuǎn)化為CRC，此時發(fā)送16個時鐘周期的CRC數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)化為CHECK狀態(tài)。在CHECK下檢查eMMC是否寫入成功，若寫入成功，則轉(zhuǎn)入IDLE狀態(tài)等待下一個寫數(shù)據(jù)命令；若寫入失敗，則轉(zhuǎn)入START狀態(tài)重復(fù)以上流程重新寫入當(dāng)前數(shù)據(jù)。

接收數(shù)據(jù)時，當(dāng)讀寫控制模塊需要讀取數(shù)據(jù)時，向命令接口模塊和數(shù)據(jù)接口模塊發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令。數(shù)據(jù)接口模塊從IDLE狀態(tài)轉(zhuǎn)換為START狀態(tài)，等待eMMC數(shù)據(jù)線上出現(xiàn)開始信號。當(dāng)?shù)却_始信號超時時，數(shù)據(jù)接口模塊狀態(tài)返回IDLE狀態(tài)并向讀寫控制模塊報告狀態(tài)，等待下一次命令。當(dāng)eMMC數(shù)據(jù)線上出現(xiàn)開始信號后，狀態(tài)轉(zhuǎn)化為DATA，開始接收256個時鐘周期的數(shù)據(jù)。每個時鐘周期的上升沿和下降沿都會傳輸數(shù)據(jù)，共接收512字節(jié)數(shù)據(jù)。在接收數(shù)據(jù)的同時計算CRC。當(dāng)接收數(shù)據(jù)完成后，狀態(tài)轉(zhuǎn)換為CRC狀態(tài)，接收16個時鐘的CRC數(shù)據(jù)。接收完CRC后轉(zhuǎn)換為CHECK狀態(tài)，將計算得到的CRC和接收到的CRC比較，若一致，則接收成功，否則接收失敗，向讀寫控制模塊報告狀態(tài)后返回IDLE狀態(tài)，完成接收。

（五）初始化模塊

初始化模塊的作用是初始化eMMC芯片，使其進(jìn)入傳輸模式，準(zhǔn)備好進(jìn)行讀寫等操作。對于eMMC的初始化，模塊遵循eMMC5.1標(biāo)準(zhǔn)中的初始化流程進(jìn)行。

初始化模塊通過向命令接口模塊發(fā)送命令，控制命令接口模塊將指定的初始化命令發(fā)送給eMMC芯片；同時獲取命令接口模塊回報的發(fā)送結(jié)果。

當(dāng)系統(tǒng)上電后，初始化模塊首先發(fā)送CMD0，對eMMC芯片進(jìn)行軟復(fù)位，使其進(jìn)入IDLE狀態(tài)。隨后發(fā)送CMD1，當(dāng)eMMC芯片準(zhǔn)備完成后進(jìn)入READY狀態(tài)。此時發(fā)送CMD2獲取芯片的CID，使其進(jìn)入IDENTFICATION狀態(tài)。然后發(fā)送CMD3為芯片設(shè)置地址，芯片進(jìn)入STANDBY狀態(tài)。然后發(fā)送CMD7選中該芯片，進(jìn)入SETBW狀態(tài)。接著發(fā)送CMD6設(shè)置位寬為8位，進(jìn)入SETHS400狀態(tài)。最后發(fā)送CMD6設(shè)置工作模式為HS400模式，進(jìn)入DONE狀態(tài)。這樣就完成了eMMC芯片的初始化。當(dāng)在任何狀態(tài)下出現(xiàn)發(fā)送錯誤時，系統(tǒng)均進(jìn)入ERROR狀態(tài)，在此狀態(tài)下發(fā)送CMD0復(fù)位eMMC芯片，使其進(jìn)入IDLE狀態(tài)，重復(fù)以上過程，直到初始化成功。

在芯片成功完成初始化后，芯片就可以接收讀寫控制命令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮髁?。初始化模塊會監(jiān)控芯片的工作狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)異常狀態(tài)時，可以對芯片重新初始化。

（六）讀寫控制模塊

讀寫控制模塊實現(xiàn)了對eMMC芯片的數(shù)據(jù)讀取、寫入和擦除操作。讀寫控制模塊接收上級傳來的命令，并按照eMMC5.1標(biāo)準(zhǔn)中的讀、寫、擦除操作流程進(jìn)行工作。

當(dāng)沒有操作命令時，模塊處于空閑狀態(tài)。當(dāng)收到新的操作命令后，根據(jù)命令進(jìn)行相應(yīng)的讀取、寫入或者擦除操作。

當(dāng)收到讀取數(shù)據(jù)命令時，模塊狀態(tài)從空閑轉(zhuǎn)入讀取狀態(tài)。首先設(shè)置塊長，通過命令接口模塊發(fā)送CMD16設(shè)置此次要讀取的數(shù)據(jù)塊長度，對于HS400，只支持512字節(jié)塊長；然后設(shè)置塊數(shù)，發(fā)送CMD23設(shè)置需要讀取的數(shù)據(jù)塊個數(shù)；然后發(fā)送多塊讀命令，發(fā)送CMD18開始讀取數(shù)據(jù)；在讀數(shù)據(jù)狀態(tài)向數(shù)據(jù)接口模塊發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令，等待數(shù)據(jù)讀取完成。當(dāng)讀取完成后進(jìn)入檢查狀態(tài)，檢查讀取是否成功，并向上返回狀態(tài)。讀取完成后進(jìn)入空閑狀態(tài)等待下一個命令。

當(dāng)收到寫入數(shù)據(jù)命令時，模塊從空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)入寫入狀態(tài)。首先設(shè)置塊長和設(shè)置塊數(shù)，與讀數(shù)據(jù)命令相同，也是通過命令接口模塊發(fā)送CMD16和CMD23完成。然后發(fā)送多塊寫命令，發(fā)送CMD25開始寫入數(shù)據(jù)；在寫數(shù)據(jù)狀態(tài)向數(shù)據(jù)接口模塊發(fā)送寫入數(shù)據(jù)命令，等待數(shù)據(jù)寫入完成。當(dāng)寫入完成后進(jìn)入檢查狀態(tài)，檢查寫入是否成功，并向上返回狀態(tài)。寫入完成后進(jìn)入空閑狀態(tài)等待下一個命令。

當(dāng)收到擦除命令時，模塊從空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)入擦除狀態(tài)。首先通過命令接口模塊發(fā)送CMD35設(shè)置需要擦除數(shù)據(jù)的起始地址，然后發(fā)送CMD36設(shè)置結(jié)束地址，最后發(fā)送CMD38開始擦除數(shù)據(jù)，狀態(tài)進(jìn)入檢查狀態(tài)，等待擦除完成。當(dāng)擦除完成后向上返回狀態(tài)，并進(jìn)入空閑狀態(tài)等待下一個命令。

三、總結(jié)

通過一段時間的編寫調(diào)試，成功地完成了該eMMC磁盤陣列控制器的設(shè)計。通過使用上位機(jī)軟件測試，該控制器能夠以超過1GB每秒的速度讀取eMMC中的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了高速讀寫eMMC芯片的設(shè)計目標(biāo)。