基于eMMC大容量存储U盘的研究

王　庆，楼向雄，王维建，张　雪，刘　莎

(1.杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310018；2.杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018)



基于eMMC大容量存储U盘的研究

王庆1，楼向雄1，王维建2，张雪1，刘莎1

(1.杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310018；2.杭州电子科技大学电子信息学院，浙江 杭州 310018)

摘要：针对移动存储的大容量、高性能需求，采用国产自主USB2.0安全控制器芯片S261，研制了一款基于嵌入式多媒体卡大容量存储U盘.介绍了U盘的硬件架构和固件设计，重点研究了S261控制器的eMMC管理单元的固件设计.控制器和eMMC之间的数据传递采用Ping-Pong传输，采用两张eMMC以交叉存储的方式存储数据.实验结果表明，该U盘的读写速度较普通U盘有很大的提高.

关键词：嵌入式多媒体卡；大容量；高速；U盘

0引言

随着社会信息技术的高速发展，数据交换和存储变得越来越频繁，移动存储设备已经成为人们生活中必不可少的一部分.移动存储设备的发展经历了几次革新，从最初的纸质存储，到后来的盒式磁带，然后又出现了软盘和光盘[1].自1999年深圳朗科科技公司全球第一款U盘问世以来，U盘技术不断地快速发展.U盘采用USB接口，支持热插拔，传输速度快，USB2.0的最大传输带宽为60 MB/s[2].U盘也由于其体积小，容量大，便于携带，得到广泛使用，成为移动存储和信息交换的最为重要数码存储产品之一.U盘最重要的组件就是主控芯片和存储介质，目前U盘设计厂商多采用NAND Flash作为存储介质.但是NAND Flash芯片目前没有统一的标准，不同厂商、不同制造工艺的NAND Flash技术特性差别很大，更为困难的是，随着NAND Flash的制造工艺的不断进步，需要更为强大的纠错硬件和复杂的Flash管理算法[3]进行支持，这对U盘产品的稳定性、可靠性提出更高的要求，不可避免地推迟了新产品投放市场的周期.eMMC(embedded Multi-Media Card)是内嵌控制器的存储芯片，它采用统一的eMMC接口标准，Flash纠错和管理在eMMC芯片内部完成，非常有利于将产品快速推向市场.近年来随着eMMC接口技术和封装技术的不断提升，其总线带宽已经提升至400 MB/s[4].基于eMMC的这些优点，本文采用eMMC而不是传统的NAND Flash作为存储介质，提高U盘的性能，少数U盘厂商也开始采用单张eMMC作为存储介质，但是还不能同时管理多张eMMC.为了实现U盘的高速、大容量存储，本文研究的U盘采用两张eMMC作为存储介质，以RAID0方式进行操作，读写操作被两张eMMC并行执行，更大地提高了性能和容量.本文首先介绍了U盘的硬件设计架构，然后在研究USB协议和eMMC协议的基础上，介绍了SUP的固件设计流程、eMMC的初始化以及CHP对eMMC读写函数的设计，最后对本文设计的U盘和普通U盘进行性能测试比较.

1系统设计方案

1.1硬件设计

本文采用两张Samsung 128 GB eMMC作为存储介质，eMMC是由JEDEC标准化组织所制定的一种内嵌式存储器标准规格，eMMC内置控制器芯片，采用球栅阵列(Ball Grid Array，BGA)封装；内部具有Flash的算法管理功能，比如，Flash的错误检测和纠正技术、Flash的坏块管理技术[5]等，使使用者无需处理复杂的Flash存储管理算法.目前在读写性能和容量方面比NAND Flash有较大的优势，缩短了产品的上市周期，减少了研发成本.

图1　硬件系统框图

目前市场上几乎所有的U盘主控都是采用单核架构，主控同时管理存储介质和USB接口，扩展性不高[6].本文采用杭州华澜微科技有限公司自主设计的USB2.0存储控制器芯片S261，它采用创新的双核架构设计，两个CPU分别负责USB接口和存储介质接口(支持Flash和eMMC接口)的管理，使得固件工程师能够快速专注的实现其各自功能，也有利于产品的二次开发.

基于eMMC大容量存储U盘的硬件系统框图如图1所示，主要由USB2.0接口、U盘控制器芯片S261、存储介质eMMC和外围电路等组成.主控S261主要负责与主机端通信和控制eMMC的读写操作.S261支持双通道操作，可以管理两张eMMC，增大U盘容量.

1.2USB2.0控制器芯片S261

主控S261采用创新的双核架构设计，分别命名为SUP(Supervisor Unit Processor)和CHP(Channel Processor)，SUP负责USB的接口管理，采用32位的精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer，RISC)，CHP负责管理eMMC存储介质，采用8位的RISC.S261控制器支持USB2.0接口规范，向下兼容USB1.x规范，支持控制传输、批量传输等功能.在存储介质方面支持异步ONFI/Toggle NAND Flash和SD/MMC/eMMC存储介质.芯片内部采用可配置硬件BCH纠错模块(最大纠错能力为72 bit/1 024 Byte).S261支持全系列SD/MMC/eMMC接口，包括SD2.0/SD3.0，eMMC4.3/4.4/4.5/5.0接口.

2固件设计

图2　SUP固件流程

由于主控S261的双核架构设计，固件由SUP固件和CHP固件两部分构成，根据USB2.0协议及eMMC协议完成固件设计，SUP固件的编译器采用MPLAB IDE，CHP固件的编译器采用CSC C.通过量产工具把固件下载到eMMC卡中，上电后，主控首先运行ROM代码(芯片出厂烧录的，不可更新，相当于BootLoader)，然后ROM代码将eMMC卡上的固件分别加载到SUP和CHP的RAM中运行固件.

2.1SUP固件设计

S261 SUP主要负责USB2.0接口和CHP的接口处理，其中USB2.0接口处理包括控制传输和SCSI命令的处理和响应，例如USB设备的枚举、SCSI读写命令等处理.SUP和CHP的接口包括使能CHP、CHP状态检测、向CHP发送读写命令和数据传输控制等.SUP和CHP的数据传递采用Ping-Pong传输，SUP用大小为4 kB的先进先出(First Input First Output，FIFO)来传递数据，数据传递由一个直接存储器存取(Direct Memory Access，DMA)引擎控制，每次传递的数据单元是2 kB.SUP固件的整体流程如图2所示.

2.2CHP固件设计

2.2.1eMMC初始化

本文研究的大容量存储U盘采用Samsung 128 GB eMMC作为存储介质，符合eMMC5.0协议规范.主控S261通过时钟线、命令线和数据线对eMMC卡进行控制，所有的总线操作都是由主控S261主动发起的.eMMC4.1版本之前的eMMC卡采用32位的字节寻址，这种寻址机制允许eMMC卡的最大容量是2 GB；之后的协议采用32位的块(512 Byte)寻址机制，容量大于2 GB的eMMC卡都使用块寻址，主控可以通过读取eMMC卡的OCR寄存器的[30∶29]位来判定它是字节寻址还是块寻址.

eMMC卡上电后，要对它进行初始化，完成对eMMC卡的配置.主控首先向eMMC发送CMD0，让eMMC进入空闲状态；然后不停地发送CMD1直到卡上电完成，eMMC进入准备状态；然后发送CMD2，让卡进入识别状态；接着发送CMD3，为卡分配一个相对地址，eMMC从卡识别模式进入到数据转移模式，此时卡的状态是备用状态；然后发送CMD7切换卡的状态，使卡进入转移状态，只有卡处于转移状态，主控才可以对卡进行读写操作；最后发送CMD6设置卡的数据总线宽度(8位)和切换到高速接口时钟模式.

2.2.2主程序设计

S261 CHP主要负责控制eMMC.S261的CHP全面支持eMMC协议，CHP根据接收到SUP的命令，对eMMC进行初始化以及读写操作.

图3　CHP固件流程

当对eMMC进行写操作时，SUP向CHP发送一个逻辑块地址(Logic Block Address, LBA)，固件把LBA转换成CHP的FIFO基地址，FIFO大小是8 kB，地址从0x00到0x0F.CHP把SUP发送的LBA经过偏移后赋值给写命令CMD25的参数，然后发送给eMMC.地址设定好之后，SUP通过DMA引擎向CHP传递数据，每次传递以4 kB为单位，写数据时，SUP把4 kB的数据传递到CHP的FIFO，然后FIFO再把4 kB的数据传递到eMMC，每张eMMC同时接受2 kB的数据.为了提高数据的传输效率，本文采用FIFO的Ping-Pong传输，把FIFO分为4kB的FIFO0(0x00到0x07)和4 kB的FIFO1(0x08到0x0F).第一次写入时，FIFO的起始地址不确定，传递数据可能小于4 kB，假设FIFO0开始接收SUP的数据，然后FIFO1接收SUP的数据，同时FIFO0的数据会写入eMMC中；然后FIFO0继续接受SUP的数据，同时FIFO1的数据写入eMMC中，循环执行此操作，直到SUP发送停止命令.对eMMC的读操作，过程和写操作相似，只不过数据的传递方向是从卡到SUP，然后通过USB模块和电脑通讯.CHP固件流程如图3所示.

3性能测试

3.1可靠性测试

用专业测试软件对U盘进行可靠性测试，不停地对U盘进行读写大小文件，连续测试了72 h，没有出现错误字节，可靠性达标.

3.2读写速度测试

通过测速软件Benchmark分别对本文的U盘和普通U盘进行测速，它们的测速结果分别如图4和图5所示.比较可知，本eMMC U盘的最大读取速度约为28.2 MB/s，最大写入速度约为20 MB/s；普通U盘的最大读取速度约为15.5 MB/s，最大写入速度约为6.5 MB/s；尤其在对0.5～32 kB的小文件读写时，本文设计的U盘读写速度是普通U盘的10倍之多，eMMC U盘在对小文件读写时比普通U盘有更大的优势.

图4　本文eMMC U盘读写速度

图5　普通U盘读写速度

4结束语

本文研究的U盘采用我国自主研发的加密芯片S261作为主控，采用USB2.0高速接口，以eMMC作为存储介质，通过系统设计和固件设计完成该U盘的设计.该U盘实现了高速、大容量的存储.本文的创新点是采用两张eMMC作为存储介质，以RAID0方式进行操作，增大了存储容量，提高了U盘的读写速度.经过可靠性及速度测试验证，该U盘性能优良，具有很好的应用价值和市场前景.

参考文献

[1]李莺,詹旭,罗毅,等.USB存储设备访问控制与数据安全系统[J].微计算机应用,2010,31(6):50-53.

[2]李亚强.基于Z8HM2芯片的加密U盘的设计[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.

[3]TAKEUCHI K.Nand flash application and solution[J].Solid-State Circuits Magazine,IEEE,2013,5(4):34-40.

[4]老虎.eMMC与SSD搅动未来嵌入式存储市场[J].电子产品世界,2011,18(9):284-287.

[5]刘智勇,陈鹏飞,宿磊,等.基于STM32芯片的U盘/SD卡文件传输技术研究[J].现代电子技术,2014,37(18):107-109.

[6]SUN C,SOGA A,ONAGI T,et al.A workload-aware-design of 3D-NAND flash memory for enterprise SSDs[C]//Quality Electronic Design (ISQED),2014 15th International Symposium on.Santa Clara:IEEE,2014:554-561.

Research of High-capacity Storage U Disk Based on eMMC

WANG Qing1, LOU Xiangxiong1, WANG Weijian2, ZHANG Xue1, LIU Sha1

(1.SchoolofCommunicationEngineering,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China;2.SchoolofElectronicEngineering,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Abstract：In order to meet the requirement of high-capacity and high-speed mobile storage devices, a high-capacity storage U disk based on embedded multi-media card (eMMC) is studied in this paper, which adopts self-developed USB2.0 security chip S261 as U disk master. This paper introduces the U disk hardware architecture and firmware design and focuses on studying eMMC’s management unit of S261. The Ping-Pong transfer strategy is used between S261 and eMMC to improve reading and writing performance. The data is stored in eMMC by the cross-storage way. The experimentation results show that the reading and writing speed of the U disk has been greatly improved, meeting the design goal.

Key words：embedded multi-media card; high-capacity; high-speed; U disk

DOI：10.13954/j.cnki.hdu.2016.02.008

收稿日期：2015-06-25

作者简介：王庆(1990-)，男，河南永城人，硕士研究生，电子与通信工程.通信作者：楼向雄副教授，E-mail：brian.lou@sage-micro.com.cn.

中图分类号：TP303

文献标识码：A

文章编号：1001-9146(2016)02-0037-05