1 MMC(多媒體卡)簡介
    MMC卡(Multimedia Card)是由美國SanDisk公司和德國西門子公司在1997年共同開發(fā)研制的一種多功能、體積小巧而容量大的快閃存儲卡。1998年1月十四家公司聯(lián)合成立了MMC協(xié)會(Multi-Media Card Association簡稱MMCA)。MMC卡的發(fā)展目標(biāo)主要是針對移動電話、數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機、MP3音樂、PDA、電子書、玩具等產(chǎn)品。MMC卡在一定程度上改善了CF卡讀寫速度較慢的缺點，并且體積輕巧，抗沖擊性強，可反復(fù)讀寫30萬次左右。MMC卡4.0標(biāo)準(zhǔn)提供了更寬的數(shù)據(jù)帶寬和更快的傳輸速率，并支持雙電壓操作模式。MMC存儲卡還具備存儲區(qū)糾錯能力和低功耗特性，如果在5 ms內(nèi)沒有接收到命令控制字，MMC卡會自動轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，MMC卡同時還支持熱插拔。
    MMC存儲卡可以分為MMC和SPI兩種工作模式，MMC模式是MMC卡的標(biāo)準(zhǔn)默認(rèn)模式，具有MMC的全部特性。而SPI模式則是MMC存儲卡可選的第二種模式，這個模式是MMC協(xié)議的一個子集，主要用于只需要小數(shù)量的卡和低數(shù)據(jù)傳輸率的系統(tǒng)，這個模式可以把設(shè)計成本減到最小，但性能不如MMC工作模式。

2 MMC的結(jié)構(gòu)及工作原理
2.1 MMC卡的引腳及功能
    MMC卡通常設(shè)計為一種低成本的數(shù)據(jù)平臺和通訊介質(zhì)，目前MMC存儲卡的容量可達(dá)2 GB。它的接口設(shè)計非常簡單：MMC卡采用7針的接口(如圖1所示)，低成本的串行總線時鐘頻率可達(dá)20MHz,MMC的工作電壓為2.7 V～3.6 V，寫/讀電流只有27 mA和23 mA。它的讀寫模式包括流式、多塊和單塊。最小的數(shù)據(jù)傳送是以塊為單位的，缺省的塊大小為512字節(jié)。

    MMC讀寫接口機可在MMC和SPI兩種通信協(xié)議下工作，MMC是MMCA協(xié)會開發(fā)的高性能三線制通信協(xié)議，即圖l中的CMD、CLK和DAT三根線，可尋址64 000張MMC卡，單個物理尋址可疊放30張卡，支持順序讀/寫、單/多數(shù)據(jù)塊讀/寫操作，MMC工作模式是MMC卡默認(rèn)的通信協(xié)議。SPI協(xié)議作為MMC卡的可選協(xié)議，工作效率不及MMC協(xié)議，但SPI協(xié)議簡單易用、兼容性好、便于嵌入式系統(tǒng)連接使用。表1是MMC卡使用SPI協(xié)議時的引腳定義。

2.2 MMC卡的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)及功能
    MMC卡的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)可分為四部分：MMC/SPI通信協(xié)議接口、單芯片控制器、數(shù)據(jù)閃存模塊、控制線和數(shù)據(jù)線。MMC/SPI接口實現(xiàn)與主控制器的通信；單芯片控制器完成接口協(xié)議、數(shù)據(jù)存儲檢索、糾錯碼算法、故障判斷處理、電源管理和時鐘控制等功能；數(shù)據(jù)閃存模塊可以實現(xiàn)整個存儲區(qū)空間的單字節(jié)訪問；控制線和數(shù)據(jù)線可以實現(xiàn)單芯片控制器與數(shù)據(jù)閃存模塊的訪問。
2.3 MMC/SPI通信協(xié)議
    MMC卡上電后，以默認(rèn)方式進入MMC協(xié)議模式，如果要轉(zhuǎn)入SPI協(xié)議模式，還需要進行協(xié)議模式切換。如果要從SPI協(xié)議模式轉(zhuǎn)入MMC協(xié)議模式，則只能切斷電源后重新通電，本設(shè)計采用SPI通信協(xié)議。
2.4 MMC卡的文件系統(tǒng)
    MMC卡的文件格式定義并不包括在系統(tǒng)規(guī)范內(nèi)，不過為了提高資料的交換性，還是定義了三種基本的文件系統(tǒng)，其中除了不帶分區(qū)的DOS-FAT文件系統(tǒng)和類似硬盤帶分區(qū)的文件系統(tǒng)外，開發(fā)者還可以定義自己獨特的文件系統(tǒng)。這些定義同樣使得MMC卡具有廣泛的操作平臺(如DOS、Windows系統(tǒng))支持性。

3 MMC(多媒體卡)的SPI協(xié)議
3.1 SPI通信協(xié)議模式及接口簡介
    SPI是一個高速同步串行輸入/輸出端口或同步串行外圍接口，是一種通用同步串行接口總線，字長為8位，主要用于與各種外圍器件進行通訊。SPI接口很容易與許多廠家的各種外圍器件直接相連，這些外圍器件可以是簡單的TTL移位寄存器、復(fù)雜的LCD顯示驅(qū)動器或A/D轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)。還可應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)、MCU與外部移位寄存器、D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、串行EEPROM、LED顯示驅(qū)動器等外部設(shè)備之間的通信接口擴展。SPI接口有主、從兩種工作模式，在多主機系統(tǒng)中，SPI還可用于不同MCU之間的通訊。SPI接口的傳送速率可編程，其內(nèi)部有125個可編程的波特率，接收或發(fā)送操作均可通過中斷或查詢方式來進行。整個工作狀態(tài)要通過設(shè)置其內(nèi)部的幾個控制寄存器來完成，如：
    (1)SPICCR：SPI配置控制寄存器。
    (2)SPICTL：SPI操作控制寄存器。
    (3)SPISTS：SPI狀態(tài)寄存器。
    (4)SPlBRR：SPI波特率寄存器。
    (5)SPIRXEMU：SPI仿真緩沖寄存器。
    (6)SPIRXBUF：SPI串行輸入緩沖寄存器。
    (7)SPITXBUF：SPI串行發(fā)送緩沖寄存器。
    (8)SPIDAT：SPI串行數(shù)據(jù)寄存器。
    (9)SPIPRI：SPI優(yōu)先級控制。
    如圖2和表1所示，SPI接口利用CLK、DataIn、DataOut三線進行數(shù)據(jù)的讀寫操作，其中，CLK為時鐘信號，由外部控制器提供，DataIn和DataOut為數(shù)據(jù)輸入和輸出線，CS是MMC卡的片選信號線，在整個SPI操作過程中，CS必須保持低電平有效。

3.2 MMC卡命令的CRC校驗
    MMC卡在數(shù)據(jù)處理時為了確保數(shù)據(jù)存儲的準(zhǔn)確性，均采用了CRC校驗字，MMC卡的CRC校驗分為兩種：CRC7和CRCl6。CRC7適合于MMC卡的所有命令，只有應(yīng)答信號格式為R3的除外，它的算法表達(dá)式為：G(x)=x7+x3+1。CRCl6用于數(shù)據(jù)塊傳輸模式的保護處理，它的算法表達(dá)式為：G(x)=x16+x12+x5+1 。
3.3 MMC卡的命令及答復(fù)信號
    所有MMC卡的命令字長度為6個字節(jié)，傳輸從高位開始，且包含一個CRC校驗字，命令字的格式如表2所示。

3.3.1 MMC卡的命令
    MMC卡的命令字共分為10個命令組，每組由多個命令字組成。SPI協(xié)議模式下支持其中的6個命令組，可實現(xiàn)基本設(shè)定、數(shù)據(jù)塊讀、數(shù)據(jù)塊寫、擦除、寫保護和MMC卡鎖定等功能。以堆棧的檢查管理命令CIM_CHECK_STACK為例，它是命令組中的基本設(shè)定命令之一，主要是通過命令SEND_CSD(CMD9)來讀取MMC卡的信息后，與進入系統(tǒng)中堆棧表的接口卡信息對比，如果不是上一張卡，再判定是否超時和超出卡的數(shù)量，從而確定該卡是否已進入系統(tǒng)。堆棧的檢查管理命令流程圖如圖3所示。

3.3.2 MMC卡的應(yīng)答信號格式 
    對于MMC卡的命令，MMC卡有多種應(yīng)答信號格式，其應(yīng)答信號的傳輸也是從高位開始，在SPI協(xié)議模式下，有5種應(yīng)答信號格式：即Rl、R2、R3、Busy和Rlb。
    接收到每個命令字后，MMC卡都會發(fā)送一個格式為R1的應(yīng)答信號(除卡狀態(tài)查詢命令字CMDl3外)，此應(yīng)答信號為1字節(jié)，最高位為O，其他位為錯誤標(biāo)志，如表3所示。

    Busy格式應(yīng)答信號的長度為多個字節(jié)，各位均為0時，表示卡正忙，如果存在非O位，表明MMC卡已經(jīng)準(zhǔn)備好接受下一個命令。
    R2格式應(yīng)答信號的長度為2個字節(jié)，用于答復(fù)卡狀態(tài)查詢命令字CMDl3，首字節(jié)同R1，第2字節(jié)表示的是錯誤類型，如表4所示。

    R3格式應(yīng)答信號的長度為5個字節(jié)，用于答復(fù)卡內(nèi)OCR寄存器，R3的首字節(jié)同Rl，其余4字節(jié)為OCR寄存器的內(nèi)容。
    Rlb格式應(yīng)答信號包括兩部分，Rl格式部分和Busy格式可選附加部分。

4 MMC與嵌入式系統(tǒng)的接口
4.1 硬件設(shè)計
    圖2是MMC卡與嵌入式系統(tǒng)芯片的硬件接口，圖中可增加一個片外存儲器作緩存芯片，采用Port C的硬件SPI接口對MMC卡進行讀寫操作，對MMC卡的文件系統(tǒng)進行讀寫操作可參閱參考文獻[4]。

4.2 軟件設(shè)計
    訪問MMC卡存儲單元前，需要設(shè)定訪問塊的長度，默認(rèn)的長度為512個字節(jié)，系統(tǒng)通過寫緩存儲芯片，當(dāng)寫入的數(shù)據(jù)達(dá)到512個字節(jié)后即轉(zhuǎn)入主存MMC，故讀寫長度不再設(shè)定。MMC格式化為FAT文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)后，數(shù)據(jù)以文件的形式保存，這樣方便上位機對主存MMC的讀取。
    MMC接口的部分軟件設(shè)計流程如圖4所示。

    SPI模式支持單數(shù)據(jù)塊和多數(shù)據(jù)塊的寫命令，以下的程序為單數(shù)據(jù)塊寫子程序的部分代碼：

5 結(jié)束語
    和CompactFlash一樣，MMC也是把存儲單元和控制器一同做到了卡上，智能的控制器使得MMC保證了較好的兼容性和靈活性。實際上所有的MMC是向上兼容的，而且能保證與以后出現(xiàn)的新規(guī)格的產(chǎn)品兼容。Sanyo和Fujitsu聯(lián)合推出了Secure MMC，這種新的MMC采用了Hitachi的SuperHRISC微處理器內(nèi)核，能高速執(zhí)行與安全相關(guān)的操作(如加密解密等)，具有很強的版權(quán)保護功能，Secure MMC也是向上兼容的，可以插入MMC插槽中使用，這種卡配合應(yīng)用Hitachi、Sanyo和Fujitsu開發(fā)的UDAC-MB(universal distribution with accesscontrol-media base)版權(quán)保護技術(shù)，可以用于提供基于移動電話的音樂發(fā)行服務(wù)，且具有低功耗、攜帶方便、性能價格比高等特點。