扩展外部eMMC存储

By Toradex胡珊逢

简介

存储器的嵌入式设备中扮演着重要角色，上面不仅安装有操作系统，同时也保存着应用程序和运行日志等。对于存储器如 eMMC，写入的数据量决定其使用寿命，对于有大量日志记录的应用，通常可以选用一个大容量的存储设备。文件将介绍如何在 Toradex 的计算机模块 Apalis iMX6 上扩展一个外部 eMMC。

Apalis iMX6 具有四个 SDIO 接口，其中一个已经用于模块本身的 eMMC。其余三个均可以用于连接另外的 eMMC。为了提高读写速度，SDIO 接口可配置为 8bit 模式。

eMMC 模块硬件连接

eMMC 内部有一个控制器，负责执行来自 host 的 MMC 指令、将数据写入到存储单元、维护映射关系确保每个存储单元可以均衡得写入等。该控制器通常需要两路电压。如下图的 VCCQ 用于驱动控制器本身，该电压也用于面向 host 的 SDIO 接口，因此需要于 host 端的 SDIO 电平一致。Apalis iMX6 的 SDIO 为 3.3V，Toradex 另外一个系列 Verdin 模块的接口则为 1.8V。目前绝大多数的 eMMC 都可以支持 1.8V 和 3.3V 两种电压。图中另外一个电源 VCC 用于存储单元 NAND 的供电。

在 Apalis Evalution Board 上 Apalis iMX6 的其中一路 SDIO 通过 X5 排针座引出。由于 eMMC 通常不需要热拔插，所以 SDIO 接口的 CD 引脚就不需要再被使用。

我们选取市场上常见的 eMMC 模块，制作适合 Apalis Evalution Board 的转接板。在实际应用中，可以把 eMMC 芯片直接焊接在定制的底板上，以增加牢固性和稳定性。

下面是 eMMC 模块转接板原理图。其中 U1 是 eMMC 模块底部的 B2B 链接器，上面的引脚都直接来自 eMMC 芯片。其中使用到了 CMD、CLK、DATA0～7。由于 Apalis iMX6 的 SDIO 为 3.3V，所以 eMMC 模块的两路电源均使用 3.3V。iMX6 SoC 只有其中的两路 SDIO 才有 Reset 引脚，其中一路已经用于模块自身的 eMMC，另一路的 SD4_RESET 没有引出到模块的金手指上。这对于扩展的 eMMC 来说将失去硬件复位功能，只能采用断电复位 eMMC。图中 H1 是 2.54mm 排针，可以直接连接 Apalis Evalution Board。另外，对于 CMD、CLK、DATA0～7 信号在设计底板时务必使用等长布线。

将转接板插入到 Apalis Evalution Board 的 X5，并提供 3.3V 供电。

Device tree 修改

软件方面采用 Linux BSP v3，对应内核为 toradex_4.14-2.3.x-imx分支。对 eMMC 的配置较为简单，在 device tree 中完成即可。

修改 `imx6q-apalis-eval.dts` 中的 usdhc1 节点，删除原来的 CD 引脚。

diff --git a/arch/arm/boot/dts/imx6q-apalis-eval.dts \

b/arch/arm/boot/dts/imx6q-apalis-eval.dts

index 70be137c1f8b..6accb3611bcf 100644

--- a/arch/arm/boot/dts/imx6q-apalis-eval.dts

+++ b/arch/arm/boot/dts/imx6q-apalis-eval.dts

@@ -468,9 +468,9 @@

/* MMC1 */

&usdhc1 {

- pinctrl-names = "default";

- pinctrl-0 = <&pinctrl_usdhc1_4bit &pinctrl_usdhc1_8bit &pinctrl_mmc_cd>;

- cd-gpios = <&gpio4 20 GPIO_ACTIVE_LOW>;

+ /*pinctrl-names = "default";*/

+ /*pinctrl-0 = <&pinctrl_usdhc1_4bit &pinctrl_usdhc1_8bit &pinctrl_mmc_cd>;*/

+ /*cd-gpios = <&gpio4 20 GPIO_ACTIVE_LOW>;*/

status = "okay";

};

修改 `imx6qdl-apalis.dtsi` 中 usdhc1 引脚配置，添加 non-removable 属性。这里限制了 SDIO 的最高频率为 20MHz。原因是在测试中发现通过转接板方式连接 eMMC 模块，当 SDIO 使用高频率时钟通信时容易引起发 MMC 相关错误。如果在定制底板上直接放置 eMMC 芯片并合理布线，则不会存在该问题。

diff --git a/arch/arm/boot/dts/imx6qdl-apalis.dtsi \

b/arch/arm/boot/dts/imx6qdl-apalis.dtsi

index e18ac19dd3bf..5622d1aadb88 100644

--- a/arch/arm/boot/dts/imx6qdl-apalis.dtsi

+++ b/arch/arm/boot/dts/imx6qdl-apalis.dtsi

@@ -910,11 +910,14 @@

/* MMC1 */

&usdhc1 {

pinctrl-names = "default";

- pinctrl-0 = <&pinctrl_usdhc1_4bit &pinctrl_usdhc1_8bit>;

+ pinctrl-0 = <&pinctrl_usdhc1_4bit &pinctrl_usdhc1_8bit>; /* 8bit */

vqmmc-supply = <®_module_3v3>;

+ max-frequency =<20000000>;

bus-width = <8>;

- disable-wp;

+ /*disable-wp;*/

no-1-8-v;

+ mmc-ddr-3_3v;

+ non-removable;

status = "disabled";

};

eMMC 测试

重新启动后查看日志中 mmc0 相关信息，mmc0 控制器上时别到外部扩展的 eMMC 模块。

root@apalis-imx6:~# dmesg|grep mmc0

[ 2.823135] mmc0: SDHCI controller on 2190000.usdhc [2190000.usdhc] using ADMA

[ 2.951996] mmc0: new DDR MMC card at address 0001

[ 2.962770] mmcblk0: mmc0:0001 58A43A 14.6 GiB

[ 2.975332] mmcblk0boot0: mmc0:0001 58A43A partition 1 4.00 MiB

[ 2.987248] mmcblk0boot1: mmc0:0001 58A43A partition 2 4.00 MiB

[ 2.998825] mmcblk0rpmb: mmc0:0001 58A43A partition 3 4.00 MiB, chardev (245:1)

由于前面设置了 20MHz 的最高时钟，mmc0 的实际频率为 19.8MHz，8bit 总线模式。

root@apalis-imx6:~# cat /sys/kernel/debug/mmc0/ios

clock: 20000000 Hz

actual clock: 19800000 Hz

vdd: 21 (3.3 ~ 3.4 V)

bus mode: 2 (push-pull)

chip select: 0 (don't care)

power mode: 2 (on)

bus width: 3 (8 bits)

timing spec: 8 (mmc DDR52)

signal voltage: 0 (3.30 V)

driver type: 0 (driver type B)

测试写入一个 1GB 文件，速度约为 14MB/s。

root@apalis-imx6:/media/mmcblk0p1# time dd if=/dev/zero of=./write_test_8bit \

bs=1M count=1024

1024+0 records in

1024+0 records out

real 1m8.987s

user 0m0.001s

sys 0m11.510s

总结

上面演示了如何在 Toradex 计算机模块上方便地扩展外部 eMMC，以及一些注意事项如 eMMC 接口的电压选择、调试期间的时钟设置和载板设计中的布线问题。

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