EMMC协议之CMD请求与应答格式详解

1. 概述

eMMC（embedded Multi Media Card）是 JEDEC 制定的嵌入式存储标准（JESD84 系列，目前常见 eMMC 5.1）。主机与 eMMC 之间通过以下信号通信：

信号	方向	说明
CLK	主机 → 设备	时钟信号，命令和数据都在其上升沿被采样
CMD	双向（半双工）	用于传输命令和应答，同一时刻只能有一个方向发送
DAT0 ~ DAT7	双向	数据线，可工作于 x1 / x4 / x8 模式

所有命令与应答都通过 CMD 线以位流形式传输：主机发命令（主机 → 设备），设备回应答（设备 → 主机）。命令格式和应答格式本质上都是 48 位的一帧，唯一的方向标志就是传输位。下面逐一拆解每一帧里每一位的作用。

2. 命令请求格式（48 位）

主机发往设备的命令固定为 48 位，高位先发（MSB first），位布局如下：

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bit47      bit46      bit45            bit40   bit39                        bit8  bit7      bit1  bit0
┌─────────┬─────────┬─────────────────┬─────────────────────────────────────────┬──────────────┬──────┐
│ Start   │  Trans  │  Command Index  │                Argument                 │     CRC7     │ End  │
│ Bit     │  Bit    │      [5:0]      │                [31:0]                   │     [6:0]    │ Bit  │
└─────────┴─────────┴─────────────────┴─────────────────────────────────────────┴──────────────┴──────┘
    0          1          6 bits                      32 bits                       7 bits        1

各字段作用：

字段	位	宽度	作用
起始位 Start Bit	bit47	1	固定为 `0`，标志一帧的开始，接收方靠它识别帧边界
传输位 Transmission Bit	bit46	1	`1` 表示主机 → 设备（命令方向）；应答时此位为 `0`
命令索引 Command Index	bit45 ~ bit40	6	命令号，范围 0 ~ 63（6 位可表示 64 个命令，如 CMD8 的二进制为 `001000`）
参数 Argument	bit39 ~ bit8	32	命令携带的参数，具体含义随命令而定（见第 7 节）
CRC7	bit7 ~ bit1	7	对"命令索引 + 参数"共 38 位计算的 CRC 校验值（见第 8 节）
结束位 End Bit	bit0	1	固定为 `1`，标志一帧的结束

3. 应答格式（48 位）

设备对大部分命令会返回 48 位应答，其结构与命令格式几乎一样，唯一区别是传输位为 0（设备 → 主机），且 bit39 ~ bit8 不再是参数，而是应答内容（随应答类型解释，如 Card Status、OCR、RCA 等）：

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bit47      bit46      bit45            bit40   bit39                        bit8  bit7      bit1  bit0
┌─────────┬─────────┬─────────────────┬─────────────────────────────────────────┬──────────────┬──────┐
│ Start   │  Trans  │  Command Index  │            Card Status /                │     CRC7     │ End  │
│ Bit     │  Bit    │      [5:0]      │       OCR / RCA / 其他内容 [31:0]        │     [6:0]    │ Bit  │
└─────────┴─────────┴─────────────────┴─────────────────────────────────────────┴──────────────┴──────┘
    0          0          6 bits                      32 bits                       7 bits        1

字段	位	作用
起始位	bit47	固定 `0`
传输位	bit46	`0` = 设备 → 主机（应答方向）
命令索引	bit45 ~ bit40	回显本次应答对应的是哪条命令
应答内容	bit39 ~ bit8	32 位，按应答类型解释（R1/R3/R6/R7 等）
CRC7	bit7 ~ bit1	对"索引 + 应答内容"38 位的校验值
结束位	bit0	固定 `1`

4. R2 长应答（136 位）

CID（CMD2 / CMD10 返回）和 CSD（CMD9 返回）寄存器本身是 128 位，装不进 48 位应答，因此 R2 应答是 136 位的长格式：

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bit135   bit134  bit133         bit128  bit127                           bit8  bit7      bit1  bit0
┌────────┬────────┬──────────────────┬──────────────────────────────────────────┬──────────────┬──────┐
│ Start  │ Trans  │     Reserved     │      CID / CSD 内容 [127:8]               │     CRC7     │ End  │
│ Bit    │ Bit    │     (6 bits)     │            120 bits                      │     [6:0]    │ Bit  │
└────────┴────────┴──────────────────┴──────────────────────────────────────────┴──────────────┴──────┘
   0        0          全 0                                                           7 bits        1

字段	位	说明
起始位 + 传输位	bit135 ~ bit134	`00`
保留位	bit133 ~ bit128	6 位，全部为 `0`
CID / CSD 内容	bit127 ~ bit8	120 位。寄存器低 8 位（bit7 ~ bit0）是寄存器自身的 CRC7 和结束位，不随应答传出，所以只传 [127:8]
CRC7	bit7 ~ bit1	对上面 120 位内容计算的校验值
结束位	bit0	固定 `1`

5. 响应类型（R1 ~ R7）

类型	长度	应答内容	典型命令
R1	48 位	32 位 Card Status（卡状态寄存器）	CMD13、CMD55 等
R1b	48 位 + busy	同 R1，应答后 DAT0 拉低表示忙	CMD6、CMD12、CMD38
R2	136 位	CID 或 CSD 寄存器内容	CMD2、CMD9、CMD10
R3	48 位	OCR 寄存器（操作条件）	CMD1
R6	48 位	RCA[31:16] + 卡状态[15:0]	CMD3
R7	48 位	回显接口条件（电压 + 校验模式）	CMD8

关于 R1b 的忙信号：R1b 应答之后，设备会在 DAT0 上持续输出低电平表示"忙"，主机必须等待忙信号结束才能发起下一条命令。实际驱动中常用 CMD13（SEND_STATUS）轮询设备状态，直到 READY_FOR_DATA 置位或设备进入目标状态。

6. R1 应答：Card Status 字段详解

R1 应答的 32 位内容就是卡的状态寄存器，是调试时最常解析的字段：

位	名称	类型	作用
31	OUT_OF_RANGE	R	命令参数超出设备支持范围（如地址越界）
30	ADDRESS_ERROR	R	地址未对齐（例如不是块边界对齐）
29	BLOCK_LEN_ERROR	R	块长度不支持
28	ERASE_SEQ_ERROR	R	擦除序列错误
27	ERASE_PARAM	R	擦除参数无效
26	WP_VIOLATION	R	尝试写入写保护区域
25	CARD_IS_LOCKED	R	卡处于锁定状态
24	LOCK_UNLOCK_FAILED	R	锁定/解锁操作失败
23	COM_CRC_ERROR	E	上一次命令 CRC 校验失败（总线传输错误）
22	ILLEGAL_COMMAND	E	命令非法（设备不支持或当前状态下不允许）
21	DEVICE_ECC_FAILED	E	设备内部 ECC 纠错失败
20	CC_ERROR	E	内部控制电路错误
19	ERROR	E	一般性错误
18	UNDERRUN	E	数据下溢（多块读时数据供应不及时）
17	OVERRUN	E	数据上溢（多块写时数据接收不及时）
16	CID/CSD_OVERWRITE	E	CID/CSD 寄存器被改写
15	WP_ERASE_SKIP	E	因写保护跳过部分擦除区域
14	CARD_ECC_DISABLED	E	ECC 被禁用
13	ERASE_RESET	E	擦除序列被重置
12:9	CURRENT_STATE	X	设备当前状态（见下表）
8	READY_FOR_DATA	X	`1` 表示设备可收发数据
7	SWITCH_ERROR	E	模式切换（CMD6）失败
6	EXCEPTION_EVENT	X	异常事件标志，配合 EXT_CSD 的 EXCEPTION_EVENTS_STATUS 使用
5	APP_CMD	X	`1` 表示下一条命令将按 ACMD（应用命令）解释
4:0	Reserved	—	保留

类型说明：R 类错误位在命令执行时更新；E 类错误位在主机读取后清除；X 类为状态位，实时反映当前状态。

CURRENT_STATE（bit12:9）取值：

值	状态	说明
0	idle	空闲（上电或 CMD0 复位后）
1	ready	就绪，等待识别
2	ident	识别中（CMD2/CMD3 阶段）
3	stby	待机，已分配 RCA
4	tran	数据传输状态（读写命令都在此状态下发出）
5	data	数据接收中
6	rcv	数据发送中
7	prg	编程中（写入/擦除进行中）
8	dis	断开（CMD7 取消选中）
9 ~ 15	—	保留

驱动调试时最常见的场景：发完 CMD24（写）后卡停留在 prg 状态，说明上一次写操作还没完成；发命令后返回 ILLEGAL_COMMAND，则要检查命令是否在正确状态下发出（例如未完成初始化就发读写命令）。

7. 常见命令 Argument 参数作用

命令	名称	Argument 作用	应答
CMD0	GO_IDLE_STATE	无参数（全 0），复位设备到 idle 状态	无
CMD1	SEND_OP_COND	主机 OCR：bit30 = HCS（高容量支持），bit29:24 = 电压窗口；设备在 R3 应答中回传自己的 OCR	R3
CMD2	ALL_SEND_CID	无参数	R2（CID）
CMD3	SEND_RELATIVE_ADDR	无参数；设备在 R6 应答中分配并返回自己的 RCA	R6
CMD6	SWITCH	模式切换 / EXT_CSD 字节读写（见下方展开）	R1b
CMD7	SELECT_CARD	RCA[15:0]：选中该 RCA 的设备进入 tran 状态；RCA 为 0 表示取消选中	R1b
CMD8	SEND_EXT_CSD	无参数；应答后 DAT 上再传输 512 字节 EXT_CSD	R1 + 数据
CMD9	SEND_CSD	RCA[15:0]：指定要读 CSD 的设备	R2（CSD）
CMD10	SEND_CID	RCA[15:0]：指定要读 CID 的设备	R2（CID）
CMD12	STOP_TRANSMISSION	无参数，中止正在进行的多块读写	R1b
CMD13	SEND_STATUS	RCA[15:0]：查询指定设备的状态	R1（Card Status）
CMD16	SET_BLOCKLEN	块长度（如 512）	R1
CMD17	READ_SINGLE_BLOCK	数据起始字节地址[31:0]（须块对齐）	R1 + 数据
CMD18	READ_MULTIPLE_BLOCK	数据起始字节地址[31:0]	R1 + 数据
CMD23	SET_BLOCK_COUNT	块数[31:0]（bit31 必须为 0），限定后续 CMD18/CMD25 传输的块数	R1
CMD24	WRITE_BLOCK	数据起始字节地址[31:0]	R1 + 数据
CMD25	WRITE_MULTIPLE_BLOCK	数据起始字节地址[31:0]	R1 + 数据
CMD38	ERASE	无参数（擦除范围由 CMD35/CMD36 的起始/结束地址设定）	R1b
CMD55	APP_CMD	RCA[15:0]；执行成功后设备状态寄存器 APP_CMD 位置 1，下一条命令按 ACMD 解释	R1
CMD56	GEN_CMD	bit0：1 = 读、0 = 写；bit25:1 = 块偏移（块内传输，不经过地址映射）	R1 + 数据

几个需要展开的关键参数：

CMD1 的 OCR 参数：bit30 = HCS（Host Capacity Support，高容量支持，1 表示主机支持块寻址）；bit29:24 = 电压窗口（如 110000 表示支持 2.7V ~ 3.6V）。设备在 R3 应答中返回自己的 OCR，其中 bit31 表示设备是否完成上电（busy 标志），初始化代码通常循环发 CMD1 直到该位置 1 且电压窗口匹配。

CMD6 的 SWITCH 参数（eMMC 5.1，Linux 内核 mmc_switch() 即按此编码）：

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bit31      bit26  bit25    bit24  bit23         bit16  bit15        bit8  bit7  bit3  bit2      bit0
┌──────────┬──────┬─────────┬──────┬─────────────────┬──────────────────┬───────────┬──────────────┐
│  Reserved │      │ Access  │      │      Index      │      Value       │ Reserved  │   Cmd Set    │
│ (全 0)    │      │ [25:24] │      │     [23:16]     │     [15:8]       │ (全 0)    │    [2:0]     │
└──────────┴──────┴─────────┴──────┴─────────────────┴──────────────────┴───────────┴──────────────┘

字段	位	作用
Access（访问模式）	bit25:24	`00` = Command Set（按 Cmd Set 切换命令集）；`01` = Set Bits（按 Value 中为 1 的位置位）；`10` = Clear Bits（按 Value 中为 1 的位清零）；`11` = Write Byte（把 Value 写入指定字节）
Index	bit23:16	EXT_CSD 字节偏移（0 ~ 191 有效；192 ~ 255 非法，设备不改写并置 SWITCH_ERROR）
Value	bit15:8	要写入/设置的 8 位值
Cmd Set	bit2:0	命令集编号，默认 0

例如切换 HS400 模式（写 EXT_CSD byte 197）就是：arg = (0b11 << 24) | (197 << 16) | (value << 8)，即 Write Byte 模式写偏移 197 的字节。CMD6 的应答是 R1b，写完后需等待忙结束，再用 CMD13 轮询确认 SWITCH_ERROR 没有置位。

CMD55 与 ACMD 机制：eMMC 很多功能命令（如 CMD6 的扩展、CMD22 等）以 ACMD 形式出现。发送 CMD55 后，设备状态寄存器的 APP_CMD 位置 1，此时紧接着发的下一条命令就按 ACMD 解释，并且这条命令的索引可以大于 63（因为 ACMD 用 CMD6/CMD56 等通道复用）。ACMD 结束后 APP_CMD 位自动清零。

RCA（相对卡地址）：CMD3 应答（R6）的 bit31:16 就是设备被分配的 RCA（1 ~ 65535 范围内的某个值，0 表示未分配/取消）。之后 CMD7/CMD9/CMD13 等命令都靠 RCA[15:0] 指定目标设备——eMMC 是单设备总线，但规范保留了多设备编址能力。

8. CRC7 校验

命令与应答帧中的 CRC7 字段用于检测总线传输错误：

多项式：x⁷ + x³ + 1（即 0x89），初始值为 0，MSB 先出
覆盖范围：命令帧覆盖"索引 + 参数"共 38 位；R2 长应答覆盖 120 位 CID/CSD 内容
校验失败：设备认为命令无效并丢弃；主机侧则由控制器硬件校验应答，若失败会在状态寄存器置 COM_CRC_ERROR（bit23）

需要注意的是，这个 CRC7 只保护 CMD 线上的命令/应答帧，不保护 DAT 线上的数据——数据块的完整性由数据 CRC16 单独保证（x16 + x12 + x5 + 1，即 0x1021）。

9. 参考

JEDEC JESD84-B51（eMMC 5.1 规范），命令格式见 §6.10，响应格式与 Card Status 见 §6.12/§6.13
Linux 内核：include/linux/mmc/mmc.h（R1 状态位定义）、drivers/mmc/core/mmc_ops.c（CMD6 参数编码 mmc_switch()）
SD/MMC 协议相关参考手册（如 GD32、NXP 系列控制器手册中的命令定义表）