SDMMCSDIO驱动分析.doc

SD/MMC/SDIO驱动分析来 源：/space.php?uid=25678596&do=blog&id=2102933参考资料： 1.SD Memory Card Specifications / Part 1. Physical Layer Specification; Version 1.0 2.LDD3 CHAPTER-16 BLOCK DEVICE 3. 引言： 前几天把mini2440 的sd 卡驱动程序移植到了Android 平台，当时对SD 卡以及内核的MMC 子系统不是很了解，浏览了四天的代码，终于理清了一些头绪，尽管很多细节的实现还不是很清楚，不过先把知道的记录下来，细节部分由时间在慢慢挖掘。本文先介绍了一下MMC 的基本框架结构，然后采用自底向上的方法来分析整个MMC 层是如何共同作用的。阅读时请结合参考资料1 和2. 1. 硬件基础： /yelov/198217/message.aspx SD/MMC/SDIO 概念区分概要 SD （Secure Digital ）与 MMC （Multimedia Card ） SD 是一种 flash memory card 的标准，也就是一般常见的 SD 记忆卡，而 MMC 则是较早的一种记忆卡标准，目前已经被 SD 标准所取代。在维基百科上有相当详细的 SD/MMC 规格说明： /wiki/Secure_Digital 。 SDIO 是目前我们比较关心的技术，SDIO 故名思义，就是 SD 的 I/O 接口（interface ）的意思，不过这样解释可能还有点抽像。更具体的说明，SD 本来是记忆卡的标准，但是现在也可以把 SD 拿来插上一些外围接口使用，这样的技术便是 SDIO 。 所以 SDIO 本身是一种相当单纯的技术，透过 SD 的 I/O 接脚来连接外部外围，并且透过 SD 上的 I/O 数据接位与这些外围传输数据，而且 SD 协会会员也推出很完整的 SDIO stack 驱动程序，使得 SDIO 外围（我们称为 SDIO 卡）的开发与应用变得相当热门。 现在已经有非常多的手机或是手持装置都支持 SDIO 的功能（SD 标准原本就是针对 mobile device 而制定），而且许多 SDIO 外围也都被开发出来，让手机外接外围更加容易，并且开发上更有弹性（不需要内建外围）。目前常见的 SDIO 外围（SDIO 卡）有： Wi-Fi card （无线网络卡） CMOS sensor card （照相模块） GPS card GSM/GPRS modem card Bluetooth card Radio/TV card （很好玩） SDIO 的应用将是未来嵌入式系统最重要的接口技术之一，并且也会取代目前 GPIO 式的 SPI 接口。 SD/SDIO 的传输模式 SD 传输模式有以下 3 种： SPI mode （required ） 1-bit mode 4-bit mode SDIO 同样也支持以上 3 种传输模式。依据 SD 标准，所有的 SD （记忆卡）与 SDIO （外围）都必须支持 SPI mode ，因此 SPI mode 是required 。此外，早期的 MMC 卡（使用 SPI 传输）也能接到 SD 插糟（SD slot ），并且使用 SPI mode 或 1-bit mode 来读取。 SD 的 MMC Mode SD 也能读取 MMC 内存，虽然 MMC 标准上提到，MMC 内存不见得要支持 SPI mode （但是一定要支持 1-bit mode ），但是市面上能看到的 MMC 卡其实都有支持 SPI mode 。因此，我们可以把 SD 设定成 SPI mode 的传输方式来读取 MMC 记忆卡。 SD 的 MMC Mode 就是用来读取 MMC 卡的一种传输模式。不过，SD 的 MMC Mode 虽然也是使用 SPI mode ，但其物理特性仍是有差异的： MMC 的 SPI mode 最大传输速率为 20 Mbit/s ； SD 的 SPI mode 最大传输速率为 25 Mbit/s 。 为避免混淆，有时也用 SPI/MMC mode 与 SPI/SD mode 的写法来做清楚区别。 2.MMC 子系统的基本框架结构： 很遗憾，内核没有为我们提供关于MMC 子系统的文档，在谷歌上搜索了很多，也没有找到相关文章。只能自己看代码分析了，可能有很多理解不对的地方，希望研究过这方面的朋友多邮件交流一下。 MMC 子系统的代码在kernel/driver/MMC 下，目前的MMC 子系统支持一些形式的记忆卡：SD,SDIO,MMC. 由于笔者对SDIO 的规范不是很清楚，后面的分析中不会涉及。MMC 子系统范围三个部分： HOST 部分是针对不同主机的驱动程序，这一部是驱动程序工程师需要根据自己的特点平台来完成的。 CORE 部分: 这是整个MMC 的核心存，这部分完成了不同协议和规范的实现，并为HOST 层的驱动提供了接口函数。 CARD 部分：因为这些记忆卡都是块设备，当然需要提供块设备的驱动程序，这部分就是实现了将你的SD 卡如何实现为块设备的。 3.HOST 层分析： HOST 层实现的就是我们针对特定主机的驱动程序，这里以mini2440 的s3cmci.c 为例子进行分析，我们先采用platform_driver_register(&s3cmci_2440_driver) 注册了一个平台设备，接下来重点关注probe 函数。在这个函数总，我们与CORE 的联系是通过下面三句实现的。首先分配一个mmc_host 结构体，注意sizeof(struct s3cmci_host) ，这样就能在mmc_host 中找到了s3cmci_host ，嵌入结构和被嵌入的结构体能够找到对方在Linux 内核代码中的常用技术了。接下来为mmc-pos 赋值， s3cmci_ops 结构实现了几个很重要的函数，待会我一一介绍。中间还对mmc 结构的很多成员进行了赋值，最后将mmc 结构加入到MMC 子系统，mmc_alloc_host ，以及mmc_add_host 的具体做了什么事情，我们在下节再分析，这三句是些MMC 层驱动必须包含的。 mmc = mmc_alloc_host(sizeof(struct s3cmci_host), &pdev-dev); mmc-ops = &s3cmci_ops; s3cmci_ops 中包含了四个函数： static struct mmc_host_ops s3cmci_ops = .request = s3cmci_request, .set_ios = s3cmci_set_ios, .get_ro = s3cmci_get_ro, .get_cd = s3cmci_card_present, ; 我们从简单的开始分析 , 这些函数都会在 core 部分被调用： s3cmci_get_ro: 这个函数通过从 GPIO 读取，来判断我们的卡是否是写保护的 s3cmci_card_present ： 这个函数通过从 GPIO 读取来判断卡是否存在 s3cmci_set_ios ： s3cmci_set_ios(struct mmc_host *mmc, struct mmc_ios *ios) 依据核心层传递过来的 ios ，来设置硬件 IO, 包括引脚配置，使能时钟，和配置总线带宽。 s3cmci_request ： 这个 函数是最主要，也最复杂的函数，实现了命令和数据的发送和接收， 当 CORE 部分需要发送命令或者传输数据时，都会调用这个函数，并传递 mrq 请求。 static void s3cmci_request(struct mmc_host *mmc, struct mmc_request *mrq) struct s3cmci_host *host = mmc_priv(mmc); host-status = mmc request; host-cmd_is_stop = 0; host-mrq = mrq; if (s3cmci_card_present(mmc) = 0) dbg(host, dbg_err, %s: no medium present/n, _func_); host-mrq-cmd-error = -ENOMEDIUM; mmc_request_done(mmc, mrq);/ 如果卡不存在，就终止请求 else s3cmci_send_request(mmc); 接下来看 s3cmci_send_request(mmc) ： 这个函数先判断一下请求时传输数据还是命令， 如果是数据的话： 先调用 s3cmci_setup_data 来对 S3C2410_SDIDCON 寄存器进行设置，然后设置 SDITIMER 寄存器这就设置好了总线宽度，是否使用 DMA, ，并启动了数据传输模式，并且使能了下面这些中断： imsk = S3C2410_SDIIMSK_FIFOFAIL | S3C2410_SDIIMSK_DATACRC | S3C2410_SDIIMSK_DATATIMEOUT | S3C2410_SDIIMSK_DATAFINISH; 解析来判断是否是采用 DMA 进行数据传输还是采用 FIFO 进行数据传输 if (host-dodma) / because host-dodma = 0,so we dont use it res = s3cmci_prepare_dma(host, cmd-data);/ 准备 DMA 传输， else res = s3cmci_prepare_pio(host, cmd-data);./ 准备 FIFO 传输 如果是命令的话： 则调用 s3cmci_send_command （）这个函数是命令发送的函数，和 datesheet 上描述的过程差不多 , 关于 SD 规范中命令的格式，请参考参考资料 1. writel(cmd-arg, host-base + S3C2410_SDICMDARG);/* 先写参数寄存器 ccon = cmd-opcode & S3C2410_SDICMDCON_INDEX;/ 确定命令种类 ccon |= S3C2410_SDICMDCON_SENDERHOST | S3C2410_SDICMDCON_CMDSTART; /*with start 2bits*/ if (cmd-flags & MMC_RSP_PRESENT) ccon |= S3C2410_SDICMDCON_WAITRSP; /*wait rsp*/ if (cmd-flags & MMC_RSP_136) ccon |= S3C2410_SDICMDCON_LONGRSP; / 确定 respose 的种类 writel(ccon, host-base + S3C2410_SDICMDCON); 命令通道分析完了，我们分析数据通道，先分析采用 FIFO 方式传输是怎么样实现的。 先分析 s3cmci_prepare_pio(host, cmd-data) 根据 rw 来判断是读还是写 if (rw) do_pio_write(host); /* Determines SDI generate an interrupt if Tx FIFO fills half*/ enable_imask(host, S3C2410_SDIIMSK_TXFIFOHALF); else enable_imask(host, S3C2410_SDIIMSK_RXFIFOHALF | S3C2410_SDIIMSK_RXFIFOLAST); 如果是写数据到 SD 的话，会调用 do_pio_write, 往 FIFO 中填充数据。当 64 字节的 FIFO 少于 33 字节时就会产生中断。如果是从 SD 读数据，则先使能中断，当 FIFO 多于 31 字节时时，则会调用中断服务程序，中断服务程序中将会调用 do_pio_read FIFO 的数据读出。 接下来分析 do_pio_write ： to_ptr = host-base + host-sdidata; fifo_free(host) 用来检测 fifo 剩余空间 while (fifo = fifo_free(host) 3) if (!host-pio_bytes) res = get_data_buffer(host, &host-pio_bytes, /* If we have reached the end of the block, we have to * write exactly the remaining number of bytes. If we * in the middle of the block, we have to write full * words, so round down to an even multiple of 4. */ if (fifo = host-pio_bytes)/fifo 的空间比 pio_bytes 大，表明这是读这个块的最后一次 fifo = host-pio_bytes; /* because the volume of FIFO can contain the remaning block*/ else fifo -= fifo & 3;/*round down to an even multiple of 4*/ host-pio_bytes -= fifo;/ 更新还剩余的没有写完的字 host-pio_count += fifo;/*chang the value of pio_bytes*/ fifo = (fifo + 3) 2;/ 将字节数转化为字数 /*how many words fifo contain,every time we just writ one word*/ ptr = host-pio_ptr; while (fifo-) writel(*ptr+, to_ptr);/ 写往 FIFO. host-pio_ptr = ptr; 注释一：注意， MMC 核心为 mrq-data 成员分配了一个 struct scatterlist 的表，用来支持分散聚集，使用这种方法，这样使物理上不一致的内存页，被组装成一个连续的数组，避免了分配大的缓冲区的问题 我们看代码 if (host-pio_sgptr = host-mrq-data-sg_len) dbg(host, dbg_debug, no more buffers (%i/%i)/n, host-pio_sgptr, host-mrq-data-sg_len); return -EBUSY; sg = &host-mrq-data-sghost-pio_sgptr; *bytes = sg-length;/ 页缓冲区中的长度 * pointer = sg_virt(sg); 将页地址映射为虚拟地址 host-pio_sgptr+; 这里表明我们的程序又完成了一次映射 这样，每一个 mmc 请求，我们只能处理 scatterlist 表中的一个页（块）。因此，完成一次完整的请求需要映射 sg_len 次 再来总结一下一个 mmc 写设备请求的过程： 在 s3cmci_prepare_pio 中我们第一次先调用 do_pio_write ，如果 FIFO 空间大于 3 ，且能够获取到 scatterlist ，则我们就开始往 FIFO 写数据，当 FIFO 空间小于 3 ，则使能 TXFIFOHALF 中断，在中断服务程序中，如果检测到 TFDET 表明又有 FIFO 空间了，则关闭 TXFIFOHALF 中断，并调用 do_pio_write 进行写。 数据流向如下： scatterlist-fifo-sdcard 一个 mmc 读设备请求的过程 数据流向如下 ： sdcard - fifo -scatterlist ， ？关于读数据的过程，中断的触发不是很清楚， s3cmci_prepare_pio 中 enable_imask(host, S3C2410_SDIIMSK_RXFIFOHALF ， S3C2410_SDIIMSK_RXFIFOLAST); 但如果没从 SD 卡中读数据，怎么会引发这个中断呢？是由 S3C2410_SDIIMSK_RXFIFOLAST 引起的吗 接下来我们分析一下中断服务程序： static irqreturn_t s3cmci_irq(int irq, void *dev_id) 该程序先获取所有的状态寄存器： mci_csta = readl(host-base + S3C2410_SDICMDSTAT); mci_dsta = readl(host-base + S3C2410_SDIDSTA); mci_dcnt = readl(host-base + S3C2410_SDIDCNT); mci_fsta = readl(host-base + S3C2410_SDIFSTA); mci_imsk = readl(host-base + host-sdiimsk); 这些将作为中断处理的依据。 如果不是 DMA 模式，则处理数据的收发 if (!host-dodma) if (host-pio_active = XFER_WRITE) & (mci_fsta & S3C2410_SDIFSTA_TFDET) /*This bit indicates that FIFO data is available for transmit when DatMode is data transmit mode. If DMA mode is enable, sd host requests DMA operation.*/ disable_imask(host, S3C2410_SDIIMSK_TXFIFOHALF); tasklet_schedule(&host-pio_tasklet); 注意我们采用 tasklet 这种延时机制来减少中断服务的时间，延时函数 pio_tasklet 中调用了 do_pio_write 和 了 do_pio_read host-status = pio tx; if (host-pio_active = XFER_READ) & (mci_fsta & S3C2410_SDIFSTA_RFDET) disable_imask(host, S3C2410_SDIIMSK_RXFIFOHALF | S3C2410_SDIIMSK_RXFIFOLAST); tasklet_schedule(&host-pio_tasklet); host-status = pio rx; 接下来的很多代码是对其他的一些类型中断的处理。 最后来分析 DMA 模式：这种模式下不需要 CPU 的干预。 S3C2440 的 DMA 有 4 个通道，我们选择了通道 0 static int s3cmci_prepare_dma(struct s3cmci_host *host, struct mmc_data *data) int dma_len, i; int rw = (data-flags & MMC_DATA_WRITE) ? 1 : 0; BUG_ON(data-flags & BOTH_DIR) = BOTH_DIR); s3cmci_dma_setup(host, rw ? S3C2410_DMASRC_MEM : S3C2410_DMASRC_HW); / 注一 s3c2410_dma_ctrl(host-dma, S3C2410_DMAOP_FLUSH); dma_len = dma_map_sg(mmc_dev(host-mmc), data-sg, data-sg_len, (rw) ? DMA_TO_DEVICE : DMA_FROM_DEVICE); / 注二 if (dma_len = 0) return -ENOMEM; host-dma_complete = 0; host-dmatogo = dma_len; for (i = 0; i sgi), sg_dma_len(&data-sgi); res = s3c2410_dma_enqueue(host-dma, (void *) host, sg_dma_address(&data-sgi), sg_dma_len(&data-sgi); if (res) s3c2410_dma_ctrl(host-dma, S3C2410_DMAOP_FLUSH); return -EBUSY; s3c2410_dma_ctrl(host-dma, S3C2410_DMAOP_START); return 0; 注一 : 这个函数先调用 s3c2410_dma_devconfig 来配置 DMA 源 / 目的的意见类型和地址，注意我们这里的设备地址 host-mem-start + host-sdidata 实际上就是 SDIDATA 寄存器的地址值，如果是写 SD 卡，则为目的地址，否则为源地址。然后调用 s3c2410_dma_set_buffdone_fn(host-dma, s3cmci_dma_done_callback); 设置 dma 通道 0 的回调函数。 注二： dma_len = dma_map_sg(mmc_dev(host-mmc), data-sg, data-sg_len, (rw) ? DMA_TO_DEVICE : DMA_FROM_DEVICE); 这里进行分散 / 聚集映射（ P444,LDD3 ） , 返回值是传送的 DMA 缓冲区数，可能会小于 sg_len ，也就是说 sg_len 与 dma_len 可能是不同的。 sg_dma_address(&data-sgi), 返回的是总线（ DMA ）地址 sg_dma_len(&data-sgi); 返回的是缓冲区的长度。 最后调用 s3c2410_dma_enqueue(host-dma, (void *) host, sg_dma_address(&data-sgi), sg_dma_len(&data-sgi); 对每个 DMA 缓冲区进行排队，等待处理。 s3c2410_dma_ctrl(host-dma, S3C2410_DMAOP_START); 启动 DMA 这样 DMA 缓冲区就和 scatterlist 联系起来，当写数据时， scatterlist 中的数据由于上面的映射关系会直接“拷贝”到 DMA 缓冲区，当读数据时则反之。整个过程不需要 CPU 干预，自动完成。 以上就是针对 mini2440 HOST 部分的内容。 4 、 CORE 层分析： CORE 层完成了不同协议和规范的实现，并为 HOST 层的驱动提供了接口函数，在 HOST 层我们曾经调用的两个函数： mmc_alloc_host(sizeof(struct s3cmci_host), &pdev-dev); mmc_add_host(mmc); 我们就从这两个函数入手，来分析 CORE 层与 HOST 层是如何交互的。 先看 mmc_alloc_host 函数： dev_set_name(&host-class_dev, mmc%d, host-index); host-parent = dev; host-class_dev.parent = dev; host-class_dev.class = &mmc_host_class; device_initialize(&host-class_dev); 这几句是将导致在 /SYS/CLASS/mmc_host 下出现 mmc0 目录，添加类设备，在 2.6.21 后的版本中，类设备的 class_device 已近被 device 所取代， LDD3P387 的内容有点 OUT 了 INIT_DELAYED_WORK(&host-detect, mmc_rescan); 初始化了一个工作队列，延时函数为 mmc_rescan ，这个延时函数很重要，下午要详细分析 最后对 host 做一些默认配置，不过这些配置在 probe 函数的后面都被重置了。 分析 mmc_add_host(mmc); device_add(&host-class_dev); 这里才真正的添加了类设备。 其中调用了 mmc_start_host void mmc_start_host(struct mmc_host *host) mmc_power_off(host); mmc_detect_change(host, 0); mmc_power_off 中对 ios 进行了设置，然后调用 mmc_set_ios(host); host-ios.power_mode = MMC_POWER_OFF; host-ios.bus_width = MMC_BUS_WIDTH_1; host-ios.timing = MMC_TIMING_LEGACY; mmc_set_ios(host); mmc_set_ios(host) 中的关键语句 host-ops-set_ios(host, ios); 这里的 set_ios 实际上就是我们前面所提到的 .set_ios = s3cmci_set_ios, 再看 mmc_detect_change(host, 0); 最后一句是 mmc_schedule_delayed_work(&host-detect, delay); 实际上就是调用我们前面说的延时函数 mmc_rescan mmc_power_up(host);/ 这个函数实际上与前面的 mmc_power_off 类似，不过设置了启动时需要的 ios mmc_go_idle(host); /CMD0 ， from inactive to idle mmc_send_if_cond(host, host-ocr_avail);/ 发送 SD_SEND_IF_COND ，是使用 SD2.0 卡才需要设置的命令 /*suppot for 2.0 card*/ * .then normal SD. */ err = mmc_send_app_op_cond(host, 0, &ocr); if (!err) if (mmc_attach_sd(host, ocr) mmc_power_off(host); goto out; 蓝色部分是遵照 SD 卡协议的 SD 卡启动过程，包括了非激活模式、卡识别模式和数据传输模式三种模式共九种状态的转换，你需要参照相关规范来理解。可以先参考下面三章图对模式和状态，以及状态转换有个初步了解。 我们最初的 SD 卡的状态时 inactive 状态调用 mmc_go_idle(host) 后，发送命令 CMD0 是其处于 IDLE 状态。 我们详细分析一下 mmc_go_idle memset(&cmd, 0, sizeof(struct mmc_command); cmd.opcode = MMC_GO_IDLE_STATE; MMC_GO_IDLE_STATE 就是命令 CMD0 cmd.arg = 0; 此命令无参数 cmd.flags = MMC_RSP_SPI_R1 | MMC_RSP_NONE | MMC_CMD_BC; err = mmc_wait_for_cmd(host, &cmd, 0);/ 见注 1 mmc_delay(1); 注 1 ： mmc_wait_for_cmd(host, &cmd, 0) 是用来发送命令的，我们揭开它的神秘面纱吧。 memset(&mrq, 0, sizeof(struct mmc_request); memset(cmd-resp, 0, sizeof(cmd-resp); cmd-retries = retries; mrq.cmd = cmd; 将命令嵌入到一个 mmc 请求中 cmd-data = NULL;mmc 命令的 data 部分设置为 NULL, 这样表示我们要传输的是命令而不是数据 mmc_wait_for_req(host, &mrq);/ 关键部分 在该函数中调用了mmc_start_request ，而这个函数调用了host-ops-request(host, mrq) ，这个request 函数就是我们在前面分析的s3cmci_req