擴展外部eMMC存儲

By Toradex胡珊逢

存儲器的嵌入式設備中扮演著重要角色，上面不僅安裝有操作系統，同時也保存著應用程序和運行日志等。對于存儲器如 eMMC，寫入的數據量決定其使用壽命，對于有大量日志記錄的應用，通常可以選用一個大容量的存儲設備。文件將介紹如何在 Toradex 的計算機模塊 Apalis iMX6 上擴展一個外部 eMMC。

Apalis iMX6 具有四個 SDIO 接口，其中一個已經用于模塊本身的 eMMC。其余三個均可以用于連接另外的 eMMC。為了提高讀寫速度，SDIO 接口可配置為 8bit 模式。

eMMC 內部有一個控制器，負責執行來自 host 的 MMC 指令、將數據寫入到存儲單元、維護映射關系確保每個存儲單元可以均衡得寫入等。該控制器通常需要兩路電壓。如下圖的 VCCQ 用于驅動控制器本身，該電壓也用于面向 host 的 SDIO 接口，因此需要于 host 端的 SDIO 電平一致。Apalis iMX6 的 SDIO 為 3.3V，Toradex 另外一個系列 Verdin 模塊的接口則為 1.8V。目前絕大多數的 eMMC 都可以支持 1.8V 和 3.3V 兩種電壓。圖中另外一個電源 VCC 用于存儲單元 NAND 的供電。

在 Apalis Evalution Board 上 Apalis iMX6 的其中一路 SDIO 通過 X5 排針座引出。由于 eMMC 通常不需要熱拔插，所以 SDIO 接口的 CD 引腳就不需要再被使用。

我們選取市場上常見的 eMMC 模塊，制作適合 Apalis Evalution Board 的轉接板。在實際應用中，可以把 eMMC 芯片直接焊接在定制的底板上，以增加牢固性和穩定性。

下面是 eMMC 模塊轉接板原理圖。其中 U1 是 eMMC 模塊底部的 B2B 鏈接器，上面的引腳都直接來自 eMMC 芯片。其中使用到了 CMD、CLK、DATA0～7。由于 Apalis iMX6 的 SDIO 為 3.3V，所以 eMMC 模塊的兩路電源均使用 3.3V。iMX6 SoC 只有其中的兩路 SDIO 才有 Reset 引腳，其中一路已經用于模塊自身的 eMMC，另一路的 SD4_RESET 沒有引出到模塊的金手指上。這對于擴展的 eMMC 來說將失去硬件復位功能，只能采用斷電復位 eMMC。圖中 H1 是 2.54mm 排針，可以直接連接 Apalis Evalution Board。另外，對于 CMD、CLK、DATA0～7 信號在設計底板時務必使用等長布線。

將轉接板插入到 Apalis Evalution Board 的 X5，并提供 3.3V 供電。

軟件方面采用 Linux BSP v3，對應內核為 toradex_4.14-2.3.x-imx分支。對 eMMC 的配置較為簡單，在 device tree 中完成即可。

修改 `imx6q-apalis-eval.dts` 中的 usdhc1 節點，刪除原來的 CD 引腳。

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 引腳配置，添加 non-removable 屬性。這里限制了 SDIO 的最高頻率為 20MHz。原因是在測試中發現通過轉接板方式連接 eMMC 模塊，當 SDIO 使用高頻率時鐘通信時容易引起發 MMC 相關錯誤。如果在定制底板上直接放置 eMMC 芯片并合理布線，則不會存在該問題。

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";

};

重新啟動后查看日志中 mmc0 相關信息，mmc0 控制器上時別到外部擴展的 eMMC 模塊。

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)

由于前面設置了 20MHz 的最高時鐘，mmc0 的實際頻率為 19.8MHz，8bit 總線模式。

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)

測試寫入一個 1GB 文件，速度約為 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

上面演示了如何在 Toradex 計算機模塊上方便地擴展外部 eMMC，以及一些注意事項如 eMMC 接口的電壓選擇、調試期間的時鐘設置和載板設計中的布線問題。