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MMC是MultiMediaCard多媒体存储卡的简称于1997年由西门子和Sandisk推出从本质上看它是一种用于固态非易失性存储的内存卡memory card规范定义了诸如卡的形态、尺寸、容量、电器信号、和主机之间的通信协议等方方面面的内容。
SD卡基于MMC发展而来两者都是基于Nand Flash技术二者最初的外观也很类似SD卡比MMC卡厚0.7mm。
早期 SD 卡对 MMC 卡的兼容性较强多数支持 SD 卡插槽的设备都可以同时支持 MMC 卡反之只有 MMC 卡插槽的设备不能够支持 SD 卡。
随着 MMC 卡和 SD 卡的发展竞争二者之间的差异越来越大走向了截然不同的发展方向。
发展到今天 MMC 卡基本退出了历史舞台转而走向了嵌入式领域推出了 eMMCembedded MMC 标准在嵌入式存储方面应用广泛。
SD 卡在移动存储卡领域的地位越发稳固不断向大容量和高速度方向发展推出了一系列接口标准目前最新的理论传输速率已达 985MB/s。
二、MMC介绍
MMC卡MultiMediaCard的设计目标是提供一种“广泛应用于电子玩具、pda、照相机、智能手机、数字录音机、MP3播放器、寻呼机等等领域”的通用低成本数据存储和通信媒体。
2.1 MMC重要版本演进
2.1.1 MMC 1.x/2.x版本阶段
从目前可检索到的 MMC 技术文档来看MMC 初始 1.0 版本的 Spec 在 1996 年就已经制定完成1997 年推出相关产品。 从 1.0 到 2.0 版本的发展阶段在 1996-2000 年该阶段 MMC 卡的形态及技术规格没有大的变化主要是一些内部功能性的演进。 这个阶段 MMC 卡的主要特性
Size24mm x 32mm x 1.4mmPins7pinsBus Width1bitBus ModeMMC mode SPI modeVoltage2.7 - 3.6V Clock0 – 20MHz
外观大概是这个样子图片来自网络
2.1.2 MMC v3.x 版本阶段
v3.0 版本是 MMC 发展历史上一个重要的版本该版本相对于 1.0/2.0 版本有重大变化。 但是由于 v3.0 版本在内部寄存器定义中有严重错误v3.0 版本很快被更新为 v3.1并且 v3.0 版本被废弃。
v3.1 版本新增了两个重要特性
引入 Low Voltage 规格支持 1.65 - 1.95V 工作电压增加 multiple block read/write 特性提升 Performance
v3.3 版本也是一个重要的版本该版本新增 RS-MMCReduced Size MMC规格制定 24mm x 18mm x 1.4mm 尺寸规格将 MMC 卡的大小减少近一半。 RS-MMC 只是物理尺寸的定义硬件接口没有变化外观大概这个样子图片来自网络
2.1.3 MMC v4.x 版本阶段
v4.x 系列版本从 2004 年开始发布v4.x 是 MMC 最为流行的版本也是目前为止持续时间最长的版本从 2004 年 v4.1 发布到 2013 v5.0 发布共持续了 9 年。 其间JEDEC Joint Electron Device Engineering Council 电子元件工业联合会采用 MMC4.1 标准作为 JEDEC 的闪存卡标准 随后 MMCAMulti Media Card Association 快闪记忆卡标准组织正式并入 JEDECMMC 标准由 JEDEC 主导推进。 目前从 JEDEC 官方站点可以下载到的 MMC 最早版本为 v4.1其直接继承自 MMCA 的 MMC v4.1 版本。
2.1.3.1 MMC v4.1 版本
鉴于之前版本的 MMC 卡性能较差v4.1 版本增加了以下重要的特性以提升性能并做到向后兼容
工作频率支持三种模式0-20MHz、0-26MHz、0-52MHzBus Width 支持三种模式1/4/8bits定义了最低 Performance 标准2.4MB/s向后兼容 v3.x 版本 MMC1 bit data busmulticard systemsMMC mode 只支持 one card per MMC busSPI mode 支持 MMC Chip Select Signal可实现 multiple cards per MMC bus提升 MMC 卡的存储容量
符合 v4.1 版本规格的 MMC 卡称为 HS MMCHigh Speed MMC由于 bus width 变化所以 HS MMC 卡的接口增加了 6pins变成 13pins v4.1 版本对市场上的 MMC 产品进行了明确的划分定义了两种 MMC 卡类型MMCplus 和 MMCmobile只有符合相应规格的卡片才能使用 MMCplus 或 MMCmobile logo。 MMCplus 和 MMCmobile 应用于不同的使用场景均向后兼容 v3.x 20MHz clock 的工作模式。
2.1.3.1.1 MMCplus 规格
MMCplus规格
size24mm x 32mm x 1.4mm全尺寸Voltage2.7 - 3.6VPins13pinsbus width1/4/8bitsBus ModeMMC mode SPI modeClock26MHz52MHz 可选Performance不低于 2.4MB/s
其外观如下图所示
2.1.3.1.2 MMCmobile 规格
MMCmobile 规格
size24mm x 18mm x 1.4mm符合 RS-MMC 标准Voltage2.7 - 3.6V/1.65 - 1.95V支持 Low Voltage 模式Pins13pinsbus width1/4/8bitsBus ModeMMC mode SPI modeClock26MHz52MHz 可选Performance不低于 2.4MB/s
其外观如下图所示
2.1.3.1.3 MMCmicro 规格
Samsung 于 2004 年底发布了一款 MMCmirco 卡该卡不同于 MMC Spec 中定义的 MMCplus 和 MMCmobile 规格其尺寸降低至12mm x 14mm x 1.1mm大概为 RS-MMC 的 1/3。 MMCmicro 是 Samsung 发布的第三方规格初期并没有收录到 MMC 标准中依靠 Samsung 自身的影响力及其轻巧的尺寸占有一定的市场地位。 随后MMCA协会也正式发布了 MMCmicro 的技术规范。在 2005 年 6 月底于瑞士苏黎世举行的 MMCA 夏季大会上MMCA 全体参会成员一致同意将 MMCmicro 卡确立为 MMCA 新一代标准。 继 2004 年底 MMCA 发布 MMCplus 卡和 MMCmobile 卡之后全新的微小尺寸的 MMCmicro 卡可谓是 MMC 技术的新一代标准。
MMCmicro 卡外观如下图所示
2.1.3.2 MMC v4.2 版本
v4.1 版本定义的寻址方式为 Byte 寻址理论上可以支持最大容量为 4GB。 v4.2 版本增加了 sector 寻址模式每个 sector 为 512Byte小于 2GB 容量的卡采用 Byte 寻址模式大于 2GB 容量的卡采用 sector 寻址模式。 同时 v4.2 版本将 Low Voltage 工作电压范围修改为 1.7 - 1.95V
2.1.3.3 MMC v4.3 版本
v4.3 版本也是 MMC 发展史上一个具有里程碑式意义的版本该版本引入了 eMMC 规格定义支持 eMMC boot 启动功能进入嵌入式领域。 重新定义了 CID 寄存器的格式以区分 Device 是 eMMC 还是 MMC Card。 虽然 MMC Spec 并没有正式收录 MMCmicro 卡的规格但是在 v4.3 Spec 还是增加定义了 MMCmicro 的 signal input capacitance信号输入电容标准。
2.1.3.4 MMC v4.4x 版本
v4.4 版本一个重要的改动是加入了 DDRDual Data Rate模式即信号的双边采样在 clock 的上升沿和下降沿都会采样一次数据。 DDR mode 将理论传输速率提升了一倍达到 104MB/s。 v4.4 版本还新增了 RPMBReplay Protected Memory Block功能用于实现数据的加密读写。RPMB 主要用于系统一些关键私密的数据的存储。 接下来的 v4.41 版本主要增加了 Background Operations 和 High Priority Interrupt 两个可选的功能不强制要求实现。
Background Operations 赋予 MMC/eMMC 执行后台操作的能力High Priority Interrupt 允许 MMC/eMMC 的某些命令执行允许被更高优先级的任务中断
2.1.3.5 MMC v4.5x 版本
v4.5 版本是 MMC 发展史上另一个里程碑式的版本该版本封面正式移除了 MMCA 的 logo只保留了 JEDEC 的 logoMMCA 退出历史舞台。 同时 v4.5 版本移除了 MMC Card 的支持只保留 eMMC 的规格定义MMC Card 也退出了历史舞台进入了 eMMC 标准时代。 v4.5 版本其他重要的改进包括
增加 HS200 mode将工作频率提高到 200MHz理论传输速率可达 200MB/s增加 Cache 功能进一步提升 eMMC 的性能。
2.1.4 eMMC v5.x 版本阶段
该阶段 eMMC 的发展的主要方向在于提升性能。 2013 年发布的 v5.0 版本增加了 HS400 mode在 HS200 的基础上增加 DDR mode信号双边采样将理论传输速率提升至 400MB/s。 2015 年发布的 v5.1 版本增加了 Command Queue 功能优化 eMMC 内部的操作效率提升 eMMC 整体的 Performance。 v5.1 版本同时发布了一个 Command Queue Host Controller InterfaceCQHCI标准用于 Host 端实现 Command Queue 硬件支持的设计标准。 另外 v5.1 版本新增了 HS400ES mode在 HS400 mode 的基础上提高了 CMD Responce 接收到可靠性。
2.2 eMMC发展趋势
MMC 发展到今天只剩下嵌入式应用的 eMMC 标准但是在 2015 年 v5.1 版本发布后已经有 4 年没有更新标准了。 eMMC 如果想进一步提升性能就需要采用更高频率的 clock对于 eMMC 使用的并行接口而言可能会遇到信号完整性等方面的瓶颈。 2016 年 JEDEC 发布的 UFS 存储标准采用差分串行总线取代了 eMMC 的并行接口可以达到远超 eMMC 的性能有替代 eMMC 的趋势。 目前在高端手持移动设备领域UFS 正在逐步替代 eMMC在车机、低成本/低端的手持设备以及其他一些嵌入式设备中eMMC 还占有较高的应用比例。 eMMC 和 UFS 目前都是 JEDEC 在维护开发不存在竞争关系从现状看eMMC 再推出革命性的版本升级的可能性不大。 因此可以猜测未来的发展趋势 eMMC 可能会逐步被 UFS 取代成为过时的技术eMMC 也会长期存在于一些低成本或对存储性能要求不高的设备上。
三、SD介绍
SDSecure Digital Memory Card 卡是在 MMC 卡基础 上发展起来的中文名称为安全数字存储卡。 SD 卡发布之初与 MMC 卡的最大区别就在安全Secure上其支持 SDMI 标准可提供保护 SD 卡上存储的音乐版权等功能。 SD 卡于 1999 年开发研制Panasonic、Sandisk 和 Toshiba 于 2000 年成立了 SDASD Association 协会主导 SD 卡的标准制定。 到目前为止SD 卡的标准已经发展到 v7.0在移动存储卡领域已经占据主导性地位。
3.1 SD重要版本演进
3.1.1 SD v1.xx版本阶段
v1.xx 版本阶段从 2000 年开始持续到 2006 年 v2.xx 版本发布。 也许是受益于后发优势SD 卡在初始 v1.00 版本就支持了双电压操作模式和 1/4bits bus width上市之初其被市场接纳程度就超过同期的 MMC卡。 SD卡初始发布的 v1.00 版本规格的主要特性有
Size24mm x 32mm x 2.1mmNormal/24mm x 32mm x 1.4mmThinPins9pinsBus Width1/4bitsBus ModeSD mode SPI modeVoltage2.0 - 3.6V/1.6 - 3.6VClock0 – 25MHzPerformance10MB/s
为了应对 RS-MMC 的市场竞争2003 年由 SanDisk 率先推出了 miniSD尺寸为21.5mm x 20mm x 1.4mm号称当时最小尺寸的 Nand 存储卡。 SD卡 和 MMC 卡在竞争中向前发展2004 年发布的 SD v1.10 版本的主要竞争对手是 MMC v4.x 标准。 SD v1.10 引入了 High Speed mode将 Clock 频率提升到 0 - 50MHz最大理论 Performance 为 25MB/s兼容 MMC v2.11 标准。 同时推出 TransFlash Card又称 T-Flash 或者 TF 卡后来统一为 microSD 卡。 microSD 的尺寸只有11mm x 15mm x 1mm。 至此SD 的物理尺寸一共有三种SD、miniSD、microSD在后来的市场筛选中只保留了 SD 和 mircoSD 两种标准也就是现在可以买到的两种 SD 卡如下图所示。
3.1.2 SD v2.xx版本阶段
SD 卡和 MMC 卡类似在三个方向发展进化速度容量尺寸。 v1.xx 版本阶段SD 卡的尺寸规格已基本定型2006 年推出的 v2.00 标准将 SD 卡的容量扩展到 32GB将 SD 卡容量分为 SD/SDHC 两种规格
SDStandard Capacity SD Memory Card指 2GB 及以下容量的 SD 卡SDHCHigh Capacity SD Memory Card指 2GB – 32GB 容量的 SD 卡
3.1.3 SD v3.xx版本阶段
2009 年开始发布的 v3.xx 版本是 SD 卡发展历史上很重要的一个阶段虽然现在 SD 卡标准已发展到 v7.xx但是 v3.xx 依然非常流行。 v3.xx 在 v2.xx 版本的基础上有如下重大更新
新增 SDXC 容量标准SDXC 规格的 SD 卡容量为 32GB – 2TB引入 UHS-I Ultra High Speed总线标准将 Clock 提升到 208MHz最高理论传输速率为 104MB/s
到 v3.xx 版本SD 卡基本分类
容量SD0-2GBSDHC2 - 32GBSDXC32GB – 2TB速度Default0 - 25MHzHigh Speed mode 0 - 50MHzUHS - I0 -208MHz
3.1.4 SD v4.xx版本阶段
从 v3.xx 版本到 v4.xx 版本可以算作 SD 卡发展到一个分水岭。 在 v3.xx 版本SD 卡支持的 Bus 规格都是 4bits 宽度的并行总线最高工作频率达到 208MHz理论传输速率可达 104MB/s。 和 eMMC 遇到的问题一样v3.xx 版本的 SD 标准想进一步提高传输速率的话4bits 的并行总线会成为其阻力。 因此 v4.xx 版本引入了 UHS-II mode该 mode 使用了低电压串行差分总线技术将理论传输速率提升至 312MB/s支持全双工模式单路理论速率为 1.56Gbps。
3.1.5 快速发展阶段
v4.20 版本之后SD 标准进入了一个快速发展阶段下面这张 SD 技术演进图可以很好地展示其发展脉络。 v5.xx 版本统一了 SD 卡容量和速度的分类规范 v6.xx 版本引入了新的速度模式UHS-III将理论传输速率提升至 524MB/s v7.xx 版本在速度和容量都有升级推出了 SDUC 容量规格总线传输支持 PCIe理论传输速率提升到 940MB/s
3.2 SD 发展趋势
从 SD 标准的技术发展现状和市场现有的 SD 卡产品来看标准的制定已经远远领先于产品技术的发展。 当下 SD 卡的发展方向无非就是更大的容量和更快的速度这两个发展方向都依赖于固态存储的技术进步。 SD 标准已经将传输管道做得足够粗接下来就看各 SD 卡厂商如何填满这个粗管道有效利用其传输性能。
四、SDIO介绍
SDIOSecure Digital Input and Output安全数字输入输出卡定义了一种外设接口。它是在SD卡接口的基础上发展而来可以兼容之前的SD卡并可以连接SDIO接口设备比如蓝牙、WIFI、照相机等。 SDIO和SD卡规范间的一个重要区别是增加了低速标准。低速卡的目标应用是以最小的硬件开支支持低速I/O能力。低速卡支持类似调制解调器、条码扫描仪和GPS接收器等应用。
SDIO特点 ①与多媒体卡系统规格书版本4.2全兼容。支持三种不同的数据总线模式1位(默认)、4位和8位。 ②与较早的多媒体卡系统规格版本全兼容(向前兼容)。 ③与SD存储卡规格版本2.0全兼容。 ④与SDI/O卡规格版本2.0全兼容支持两种不同的数据总线模式1位(默认)和4位。 ⑤完全支持CE-ATA功能(与CE-ATA数字协议版本1.1全兼容)。8位总线模式下数据传输速率可达48MHz。 ⑥数据和命令输出使能信号用于控制外部双向驱动器。
五、总结
MMC 和 SD 作为两种同源的存储技术经历了 20 多年的发展到今天走向两个不同的技术路线。 MMC 发展为 eMMC 标准面向嵌入式存储领域SD 在移动存储领域深耕。 从二者目前的发展趋势看eMMC 正在被更先进的 UFS 技术标准取代SD 的发展前景似乎更为广阔。 技术的发展日新月异随着 5G 和云存储技术的发展无处不在的高速网络连接和越来越低的云存储成本将是必然的趋势。 这些技术进步将会对 UFS/eMMC/SD 等本地存储技术造成什么样的冲击我们拭目以待。
参考 MMC SD 发展历史 SD/SDIO/EMMC
