一種基于FPGA 的eMMC 壽命驗證的方法

虞亞君，王小龍，2，邵春偉，2，郝國峰，2，沈小波，2

（1.無錫華普微電子有限公司，江蘇 無錫 214035；2.中科芯集成電路有限公司，江蘇 無錫 214072）

0 引言

eMMC（Embedded Multi Media Card）存儲顆粒以其尺寸小、速度高、易開發的特點[1]，非常適合用作嵌入式數據存儲介質。用在機載記錄裝置時，實時記錄大量飛行圖像數據，待飛行結束后再將數據卸載回收，提供給相關機構進行研究。用在汽車駕駛輔助系統時，實時記錄視頻攝像頭、激光測距器等探測的環境數據，經過控制器運算，做出行駛路徑的預測與規劃[2]。雖然eMMC具備壞塊管理能力，但如果長時間高密度讀寫，會出現數據記錄出錯情況。在系統研發階段，需提前驗證其實際使用壽命，靠近壽損之前及時更換芯片，以確保數據記錄無誤。本文設計的eMMC 壽命驗證方法，使用FPGA 作為讀寫eMMC 的主控器，可同時驗證4 片eMMC 壽命，硬件結構簡單、通用性好、觀測性強。

1 eMMC 芯片的工作原理

本次驗證選用江波龍公司旗下的eMMC 芯片，型號為FEMDRW064G-88A19，存儲容量為64 GB。圖1 是eMMC 內部架構圖，主要由MMC 控制器和NAND Flash組成[3-4]。MMC 控制器包含了穩壓器、寄存器、核心邏輯塊等。穩壓器可選1.2 V、1.8 V 或3.3 V，寄存器模塊包含CID、CSD、ECSD 等，可讀取eMMC 芯片出廠信息和配置工作模式。核心邏輯塊完成對外eMMC 總線的數據交互，也完成對內NAND Flash 的功能控制。該控制器實現了接口協議管理、磨損均衡、壞塊管理與ECC錯誤糾錯功能，外部設備按照JEDEC 標準eMMC 5.1 協議規范對其控制，驅動eMMC 正常工作。

2 eMMC 壽命測試的FPGA 實現

本次設計同時驗證4 片eMMC 在High Speed DDR[5]工作模式下的讀寫壽命情況。FPGA 選擇Xilinx 公司的xc7a50tfgg484-1，該芯片采用28 nm 技術架構，系統級性能比上一代提升50%。可通過Hardware Manager 調試界面，觀察eMMC 總線工作情況，讀寫次數及記錄查詢由監控軟件完成。

2.1 系統架構圖

測試環境采用軟硬結合的方法，如圖2 所示。在PC端編寫eMMC 監控軟件，用于配置并監控FPGA 驗證板的工作狀態。FPGA 驗證板掛載4 片eMMC 芯片，可在特定編程下同時運行，除常規時鐘、電源外，配置芯片BPI Flash（PC28F00AP30TFA）用來加載啟動程序[6]，同時開辟部分緩存，用于保存上次掉電數據。

圖2 系統架構圖

2.2 eMMC 監控軟件

圖3 是基于PC 設計的eMMC 監控軟件，通過串口與FPGA 芯片通信，監控eMMC 芯片的讀寫情況[7]。先設置“測試條件”與“產品編號”，選擇“串口端號”，然后啟動“串口開關”。板卡上電后，先按下“eMMC 狀態查詢”，若eMMC 狀態查詢后的顏色條為綠色，則表示eMMC 初始化成功，否則失敗。下一步，在“設置讀寫次數”后面輸入循環讀寫次數，按下“設置讀寫次數”按鈕，顏色條顯示綠色，設置成功。按下“啟動測試”按鈕，開始測試。支持“暫停測試”或“繼續測試”。圖3 左下方顯示“當前上電啟動次數”“當前設置讀寫次數”“當前測試次數”等狀態。“當前測試結果”顯示綠色則結果正確，若顯示紅色則結果出錯。該軟件還支持“查詢總上電啟動次數”“查詢歷史上電記錄”，返回相應的“計劃測試次數”與“完成測試次數”，顏色條顯示測試結果。

圖3 eMMC 監控軟件

2.3 eMMC 壽命驗證邏輯設計

本節主要介紹FPGA 邏輯設計部分，包括時鐘切換模塊、初始化模塊、讀寫模塊，從原理到實現進行闡述。

2.3.1 時鐘切換模塊設計

根據eMMC5.1 協議規范，系統初始化模塊的主時鐘為250 kHz，High Speed DDR（雙倍率）工作模式下的主時鐘為50 MHz。如果使用簡單的兩路選擇器，在切換時鐘時，避免不了毛刺的產生，出現不可預期的錯誤，所以設計圖4 的防毛刺時鐘切換電路[8-9]。當SELECT 為0時，時鐘OUT_CLK 輸出為CLK_250K，否則輸出為CLK_50M。圖中兩路都使用了兩級D 觸發器，再經過與門和或門的運算操作，最終CLK_OUT 輸出將無毛刺。輸出波形見圖5，SELECT 的值拉低后，間隔兩個CLK_250K 周期，CLK_OUT 從250 kHz 變成50 MHz。

圖4 防毛刺時鐘切換電路

圖5 CLK_OUT 的輸出波形

2.3.2 初始化模塊設計

初始化模塊是針對eMMC 芯片上電后的的首要配置[10]，是實現讀寫功能的前提，圖6 顯示配置過程。第一步軟件復位，FPGA 發送CMD0 指令<0x40_0000_0000_95>，無返回值。第二步查詢上電是否完成，重復發送CMD1 指令<0x41_40FF_8080_89>，直到返回值中busy（最高位）為1，則復位完成，停止發送。第三步發送CMD2 指令<0x 40_0000_0000_4d>，讀取CID 寄存器，識別產品標識碼信息。第四步分配相對地址，FPGA 發送CMD3 指令<0x 43_0123_0000_a3>，片選地址為0x0123。第五步讀取CSD 寄存器，發送CMD9 指令<0x49_0123_0000_2D>，讀取數據格式、存儲容量、數據傳輸速率等信息。第六步發送CMD7 指令<0x47_0123_0000_01>，用于選定第四步中分配的相對地址，選中設備。第七步至第九步都發送不同的CMD6 指令，第七步發送<0x46_0321_0100_cb>，設置CACHE_CTRL 為0x01，開啟高速緩存；第八步發送<0x46_03b9_0100_2F >，開啟High Speed 高速模式；第九步發送<0x46_03B7_0600_4F>，數據位寬設為8 bit、雙沿采樣。最后一步發送CMD13 指令<0x4d_0123_0000_8f >，驗證初始化操作的正確性。

圖6 初始化流程

2.3.3 讀寫模塊設計

本次設計的數據傳輸模式為雙倍率總線模式[11]，格式如圖7 所示。數據幀的起始位為0，在時鐘CLK 上升沿有效，數據塊長度為塊長度的1/2，其中奇數數據在CLK上升沿有效，偶數數據在CLK 下降沿有效。數據塊之后附帶2 組CRC 校驗碼，分別保護數據塊中奇數和偶數數據，CLK 上升沿有效的是奇數數據校驗，下降沿有效的是偶數數據校驗。數據包的停止位在上升沿有效。

圖7 雙倍率數據傳輸格式

數據寫入模塊采用開放式多塊寫方式[12]，傳輸數據塊數量不設限，比單塊寫方式節省更新新地址的時間損耗。狀態機如圖8 所示，發送CMD25 指令<0x5900_0000_0003>設置數據寫入首地址，等待Rsp 響應正確后，寫入512 字節的塊數據，然后等待DAT0 總線上的CRC 校驗結果，若正確，則返回010，然后發送其他塊數據；若錯誤，則返回101，在發送停止命令CMD12<0x4C00_0000_0061>后，本次傳輸結束，再重新發送當前塊數據。全部寫完數據塊后，也需要發送CMD12 來結束傳輸。

圖8 寫數據狀態機

數據讀出模塊采用開放式多塊讀方式，與圖8 寫數據狀態機類似。首先發送CMD18<0x5200_0000_00E1>設置數據首地址，在發送命令完畢后等待2 個時鐘，數據塊開始讀回，含尾部CRC 校驗碼。然后FPGA 進行CRC 解校驗，若校驗成功，則保存數據，否則發送CMD12，結束本次傳輸。

3 試驗分析

得益于eMMC 芯片獨有的Global-wear-leveling 全局磨損均衡算法，可以針對局部地址重復擦寫。所以將eMMC 分區，按實際使用60 GB 計算，分成60 等塊，選取1 GB 的塊區域進行操作。為嚴格驗證讀寫壽命，每次刷新都需要對每一個比特位進行0 和1 翻轉。先在塊區域里寫滿0x55，并讀出比較，返回值一致后，再刷新寫滿0xAA，再讀取比較是否一致，重復進行60 次，才遍歷讀寫完一次eMMC。參照eMMC 芯片手冊不低于3 000 次的讀寫壽命，所以監控軟件生成的“總累計讀寫次數”要不低于180 000 次，只要出錯一次，則壽命驗證結果失敗。表1 是在eMMC 監控軟件里隨機抽取的4 片eMMC測試記錄。其中抽取了1 號eMMC 的第23 次上電啟動次數，上電時間是2022/3/20/8:42，下電時間是2022/3/22/13:06，總時長為3 144 min，考慮中途有斷電情況，實際完成次數是3 008，測試結果為正常。

表1 抽取4 片eMMC 記錄數據

表2 統計4 片eMMC 的全部測完180 000 次的累計天數，可以看出完成180 000 次壽命測試，4 片eMMC 中累計天數最大是138.77 天，最低是136.34 天，相差2.43天，偏差合理。圖9 顯示4 片eMMC 讀寫速率，在第10 000 次的時候，eMMC2 的速度最大是35 MB/s，在第80 000 次的時候，速度最小是29 MB/s，其速率都在31 MB/s 左右，符合設定總線速度要求。結果為4 片eMMC 全部通過壽命驗證。

表2 統計4 片eMMC 累計讀寫天數

圖9 4 片eMMC 讀寫速率

4 結論

本文基于eMMC 芯片工作原理，深入研究了用FPGA實現eMMC 壽命測試的實現方法。針對eMMC 芯片單沿采樣速率慢的問題，研發了High Speed DDR 總線工作模式，實際測得最快讀寫均速達到31 MB/s。同時，經過長時間的疲勞測試，所選4 塊eMMC 芯片均能完成180 000次的塊讀寫，達到了手冊上的要求。此次設計的壽命測試系統結合了監測軟件的可配置性，結合FPGA 芯片獨有的多線并行操作，為同時控制4 片eMMC 讀寫帶來極大的可控性。按照實際項目需要，若選用市面上其他主流的eMMC 芯片，都能在此硬件架構下進行功能測試，體現了本設計的可擴展性高、通用性強的特點。