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linux2.6内核SD Card Driver详细解析

2017-08-11 14:59 405 查看
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作者:EasyWave                                                                                 时间:2012.03.18

类别:linux驱动开发                                                                           声明:转载,请保留链接

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一:MMC/SD/SDIO的概念
MMC:(Multi Media Card)由西门子公司和首推CF的SanDisk于1997年推出的多媒体记忆卡标准。
SD:(Secure Digital Memory Card)由日本松下、东芝及美国SanDisk公司于1999年8月共同开发研制的新一代记忆卡标准,已完全兼容MMC标准。
SDIO:(Secure Digital Input and Output Card)安全数字输入输出卡。SDIO是在SD标准上定义了一种外设接口,通过SD的I/O接脚来连接外围设备,并且通过SD上的 I/O数据接位与这些外围设备进行数据传输。是目前较热门的技术,如下图中的一些设备:GPS、相机、Wi-Fi、调频广播、条形码读卡器、蓝牙等。
工作模式:工作模式是针对主机控制器来说的。SDI控制器可以在符合MMC的标准下工作,或者可以在符合SD的标准下工作,或者可以在符合SDIO的标准下工作。故就分别简称为:MMC模式、SD模式和SDIO模式。
传输模式:传输模式也是针对主机控制器来说的,指控制器与卡之间数据的传输模式,或者说是总线类型。SDI控制器可支持SPI、1位和4位的三种传输模式(总线类型)。至于1位和4位又是什么意思呢?他们是指传输数据总线的线宽,具体参考数据手册。
下面使用表格列出了MMC、SD、SDIO的电气特性及性能和不同工作模式下支持的传输模式情况:



二:MMC/SD协议

根据协议,MMC/SD卡的驱动被分为:卡识别阶段和数据传输阶段。在卡识别阶段通过命令使MMC/SD处于:空闲(idle)、准备(ready)、识别(ident)、等待(stby)、不活动(ina)几种不同的状态;而在数据传输阶段通过命令使MMC/SD处于:发送(data)、传输(tran)、接收(rcv)、程序(prg)、断开连接(dis)几种不同的状态。所以可以总结MMC/SD在工作的整个过程中分为两个阶段和十种状态。下面使用图形来描述一下在两个阶段中这十种状态之间的转换关系。
卡识别阶段,如下图:



【图是从网络上抓取】
数据传输阶段,如下图:



【图是从网络上抓取】

MMC/SD设备驱动代码在Linux源码中的位置/linux-2.6.35.4/drivers/mmc/,分别有card、core和host三个文件夹,他们都是MMC/SD卡的驱动。在实际驱动开发中,只需要在host文件夹下实现你具体的MMC/SD设备驱动部分代码,也就是控制器(支持对MMC/SD卡的控制,俗称MMC/SD主机控制器)和SDI控制器与MMC/SD卡的硬件接口电路。同时card、core和host这三层的关系,我们用一幅图来进行描述,图如下:



【图是从网络上抓取】

从图中的关系可以看出,整个MMC/SD模块中最重要的部分是Core核心层,他提供了一系列的接口函数,对上提供了将主机驱动注册到系统,给应用程序提供设备访问接口,对下提供了对主机控制器控制的方法及块设备请求的支持。
三:分析MMC/SD卡设备驱动程序
MMC/SD卡驱动程序的重要数据结构mmc_host,该结构位于Core核心层,主要用于核心层与主机驱动层的数据交换处理。定义在/include/linux/mmc/host.h中:

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struct mmc_host {  
    struct device       *parent;  
    struct device       class_dev;  
    int         index;  
    const struct mmc_host_ops *ops;  
    unsigned int        f_min;  
    unsigned int        f_max;  
    u32         ocr_avail;  
  
#define MMC_VDD_165_195     0x00000080  /* VDD voltage 1.65 - 1.95 */  
#define MMC_VDD_20_21       0x00000100  /* VDD voltage 2.0 ~ 2.1 */  
#define MMC_VDD_21_22       0x00000200  /* VDD voltage 2.1 ~ 2.2 */  
#define MMC_VDD_22_23       0x00000400  /* VDD voltage 2.2 ~ 2.3 */  
#define MMC_VDD_23_24       0x00000800  /* VDD voltage 2.3 ~ 2.4 */  
#define MMC_VDD_24_25       0x00001000  /* VDD voltage 2.4 ~ 2.5 */  
#define MMC_VDD_25_26       0x00002000  /* VDD voltage 2.5 ~ 2.6 */  
#define MMC_VDD_26_27       0x00004000  /* VDD voltage 2.6 ~ 2.7 */  
#define MMC_VDD_27_28       0x00008000  /* VDD voltage 2.7 ~ 2.8 */  
#define MMC_VDD_28_29       0x00010000  /* VDD voltage 2.8 ~ 2.9 */  
#define MMC_VDD_29_30       0x00020000  /* VDD voltage 2.9 ~ 3.0 */  
#define MMC_VDD_30_31       0x00040000  /* VDD voltage 3.0 ~ 3.1 */  
#define MMC_VDD_31_32       0x00080000  /* VDD voltage 3.1 ~ 3.2 */  
#define MMC_VDD_32_33       0x00100000  /* VDD voltage 3.2 ~ 3.3 */  
#define MMC_VDD_33_34       0x00200000  /* VDD voltage 3.3 ~ 3.4 */  
#define MMC_VDD_34_35       0x00400000  /* VDD voltage 3.4 ~ 3.5 */  
#define MMC_VDD_35_36       0x00800000  /* VDD voltage 3.5 ~ 3.6 */  
  
    unsigned long       caps;       /* Host capabilities */  
  
#define MMC_CAP_4_BIT_DATA  (1 << 0)  /* Can the host do 4 bit transfers */  
#define MMC_CAP_MMC_HIGHSPEED   (1 << 1)  /* Can do MMC high-speed timing */  
#define MMC_CAP_SD_HIGHSPEED    (1 << 2)  /* Can do SD high-speed timing */  
#define MMC_CAP_SDIO_IRQ    (1 << 3)  /* Can signal pending SDIO IRQs */  
#define MMC_CAP_SPI     (1 << 4)  /* Talks only SPI protocols */  
#define MMC_CAP_NEEDS_POLL  (1 << 5)  /* Needs polling for card-detection */  
#define MMC_CAP_8_BIT_DATA  (1 << 6)  /* Can the host do 8 bit transfers */  
#define MMC_CAP_DISABLE     (1 << 7)  /* Can the host be disabled */  
#define MMC_CAP_NONREMOVABLE    (1 << 8)  /* Nonremovable e.g. eMMC */  
#define MMC_CAP_WAIT_WHILE_BUSY (1 << 9)  /* Waits while card is busy */  
  
    mmc_pm_flag_t       pm_caps;    /* supported pm features */  
  
    /* host specific block data */  
    unsigned int        max_seg_size;   /* see blk_queue_max_segment_size */  
    unsigned short      max_hw_segs;    /* see blk_queue_max_hw_segments */  
    unsigned short      max_phys_segs;  /* see blk_queue_max_phys_segments */  
    unsigned short      unused;  
    unsigned int        max_req_size;   /* maximum number of bytes in one req */  
    unsigned int        max_blk_size;   /* maximum size of one mmc block */  
    unsigned int        max_blk_count;  /* maximum number of blocks in one req */  
  
    /* private data */  
    spinlock_t      lock;       /* lock for claim and bus ops */  
  
    struct mmc_ios      ios;        /* current io bus settings */  
    u32         ocr;        /* the current OCR setting */  
  
    /* group bitfields together to minimize padding */  
    unsigned int        use_spi_crc:1;  
    unsigned int        claimed:1;  /* host exclusively claimed */  
    unsigned int        bus_dead:1; /* bus has been released */  
#ifdef CONFIG_MMC_DEBUG  
    unsigned int        removed:1;  /* host is being removed */  
#endif  
  
    /* Only used with MMC_CAP_DISABLE */  
    int         enabled;    /* host is enabled */  
    int         nesting_cnt;    /* "enable" nesting count */  
    int         en_dis_recurs;  /* detect recursion */  
    unsigned int        disable_delay;  /* disable delay in msecs */  
    struct delayed_work disable;    /* disabling work */  
  
    struct mmc_card     *card;      /* device attached to this host */  
  
    wait_queue_head_t   wq;  
    struct task_struct  *claimer;   /* task that has host claimed */  
    int         claim_cnt;  /* "claim" nesting count */  
  
    struct delayed_work detect;  
  
    const struct mmc_bus_ops *bus_ops;  /* current bus driver */  
    unsigned int        bus_refs;   /* reference counter */  
  
    unsigned int        sdio_irqs;  
    struct task_struct  *sdio_irq_thread;  
    atomic_t        sdio_irq_thread_abort;  
  
    mmc_pm_flag_t       pm_flags;   /* requested pm features */  
  
#ifdef CONFIG_LEDS_TRIGGERS  
    struct led_trigger  *led;       /* activity led */  
#endif  
  
    struct dentry       *debugfs_root;  
  
    unsigned long       private[0] ____cacheline_aligned;  
};  

MMC/SD卡驱动程序的重要数据结构mmc_host_ops,主要用于HOST端命令请求,直接跟芯片中SD卡寄存器打交道,定义在/include/linux/mmc/host.h中:

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struct mmc_host_ops {  
    /*  
     * Hosts that support power saving can use the 'enable' and 'disable'  
     * methods to exit and enter power saving states. 'enable' is called  
     * when the host is claimed and 'disable' is called (or scheduled with  
     * a delay) when the host is released. The 'disable' is scheduled if  
     * the disable delay set by 'mmc_set_disable_delay()' is non-zero,  
     * otherwise 'disable' is called immediately. 'disable' may be  
     * scheduled repeatedly, to permit ever greater power saving at the  
     * expense of ever greater latency to re-enable. Rescheduling is  
     * determined by the return value of the 'disable' method. A positive  
     * value gives the delay in milliseconds.  
     *  
     * In the case where a host function (like set_ios) may be called  
     * with or without the host claimed, enabling and disabling can be  
     * done directly and will nest correctly. Call 'mmc_host_enable()' and  
     * 'mmc_host_lazy_disable()' for this purpose, but note that these  
     * functions must be paired.  
     *  
     * Alternatively, 'mmc_host_enable()' may be paired with  
     * 'mmc_host_disable()' which calls 'disable' immediately.  In this  
     * case the 'disable' method will be called with 'lazy' set to 0.  
     * This is mainly useful for error paths.  
     *  
     * Because lazy disable may be called from a work queue, the 'disable'  
     * method must claim the host when 'lazy' != 0, which will work  
     * correctly because recursion is detected and handled.  
     */  
    int (*enable)(struct mmc_host *host);  
    int (*disable)(struct mmc_host *host, int lazy);  
    void    (*request)(struct mmc_host *host, struct mmc_request *req);  
    /*  
     * Avoid calling these three functions too often or in a "fast path",  
     * since underlaying controller might implement them in an expensive  
     * and/or slow way.  
     *  
     * Also note that these functions might sleep, so don't call them  
     * in the atomic contexts!  
     *  
     * Return values for the get_ro callback should be:  
     *   0 for a read/write card  
     *   1 for a read-only card  
     *   -ENOSYS when not supported (equal to NULL callback)  
     *   or a negative errno value when something bad happened  
     *  
     * Return values for the get_cd callback should be:  
     *   0 for a absent card  
     *   1 for a present card  
     *   -ENOSYS when not supported (equal to NULL callback)  
     *   or a negative errno value when something bad happened  
     */  
    void    (*set_ios)(struct mmc_host *host, struct mmc_ios *ios);  
    int (*get_ro)(struct mmc_host *host);  
    int (*get_cd)(struct mmc_host *host);  
  
    void    (*enable_sdio_irq)(struct mmc_host *host, int enable);  
  
    /* optional callback for HC quirks */  
    void    (*init_card)(struct mmc_host *host, struct mmc_card *card);  
};  

对于mmc_host_ops需要重点讲一下:

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void    (*request)(struct mmc_host *host, struct mmc_request *req);  

这个函数主要用于SD卡命令的传输,比如发送和接收命令,CMD0,CMD8,ACMD41诸如此类的都是在这个函数去实现。

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void    (*set_ios)(struct mmc_host *host, struct mmc_ios *ios);  

这个函数主要用于设置SD卡的CLK,MMC_POWER_OFF,MMC_POWER_ON的一些初始化。

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print?

int (*get_ro)(struct mmc_host *host);  

这个函数主要用于检测SD卡的写保护是否打开。

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int (*get_cd)(struct mmc_host *host);  

这个函数主要用于SD卡的检测,是否有卡插入和弹出。
MMC/SD卡驱动程序的重要函数mmc_alloc_host,用于分配mmc_host结构体指针的内存空间大小,定义在host.c中:

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struct mmc_host *mmc_alloc_host(int extra, struct device *dev)  
{  
    int err;  
    struct mmc_host *host;  
  
    if (!idr_pre_get(&mmc_host_idr, GFP_KERNEL))  
        return NULL;  
  
    host = kzalloc(sizeof(struct mmc_host) + extra, GFP_KERNEL);  
    if (!host)  
        return NULL;  
  
    spin_lock(&mmc_host_lock);  
    err = idr_get_new(&mmc_host_idr, host, &host->index);  
    spin_unlock(&mmc_host_lock);  
    if (err)  
        goto free;  
  
    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);  
  
    spin_lock_init(&host->lock);  
    init_waitqueue_head(&host->wq);  
    INIT_DELAYED_WORK(&host->detect, mmc_rescan);  
    INIT_DELAYED_WORK_DEFERRABLE(&host->disable, mmc_host_deeper_disable);  
  
    /*  
     * By default, hosts do not support SGIO or large requests.  
     * They have to set these according to their abilities.  
     */  
    host->max_hw_segs = 1;  
    host->max_phys_segs = 1;  
    host->max_seg_size = PAGE_CACHE_SIZE;  
  
    host->max_req_size = PAGE_CACHE_SIZE;  
    host->max_blk_size = 512;  
    host->max_blk_count = PAGE_CACHE_SIZE / 512;  
  
    return host;  
  
free:  
    kfree(host);  
    return NULL;  

而在mmc_alloc_host函数中被调用的mmc_rescan函数,这个是需要重点关注的,因为SD卡协议中的检测,以及卡识别等都是在此函数中实现,具体的代码如下:

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void mmc_rescan(struct work_struct *work)  
{  
    struct mmc_host *host =  
        container_of(work, struct mmc_host, detect.work);  
    u32 ocr;  
    int err;  
  
    mmc_bus_get(host);  
  
    /* if there is a card registered, check whether it is still present */  
    if ((host->bus_ops != NULL) && host->bus_ops->detect && !host->bus_dead)  
        host->bus_ops->detect(host);  
  
    mmc_bus_put(host);  
  
  
    mmc_bus_get(host);  
  
    /* if there still is a card present, stop here */  
    if (host->bus_ops != NULL) {  
        mmc_bus_put(host);  
        goto out;  
    }  
  
    /* detect a newly inserted card */  
  
    /*  
     * Only we can add a new handler, so it's safe to  
     * release the lock here.  
     */  
    mmc_bus_put(host);  
  
    if (host->ops->get_cd && host->ops->get_cd(host) == 0)  
        goto out;  
  
    mmc_claim_host(host);  
  
    mmc_power_up(host);  
    sdio_reset(host);  
    mmc_go_idle(host); //让SD卡处于IDL_STATUS  
  
    mmc_send_if_cond(host, host->ocr_avail); //检测SD卡是否支持SD2.0  
  
    /*  
     * First we search for SDIO...  
     */  
    err = mmc_send_io_op_cond(host, 0, &ocr); //检测是否是支持SDIO的卡,比如:SDIO WIFI等.  
    if (!err) {  
        if (mmc_attach_sdio(host, ocr))  
            mmc_power_off(host);  
        goto out;  
    }  
  
    /*  
     * ...then normal SD...  
     */  
    err = mmc_send_app_op_cond(host, 0, &ocr); //检测是否是支持标准的SD卡.  
    if (!err) {  
        if (mmc_attach_sd(host, ocr))  
            mmc_power_off(host);  
        goto out;  
    }  
  
    /*  
     * ...and finally MMC.  
     */  
    err = mmc_send_op_cond(host, 0, &ocr); //最后才是检测是否是支持MMC的卡  
    if (!err) {  
        if (mmc_attach_mmc(host, ocr))  
            mmc_power_off(host);  
        goto out;  
    }  
  
    mmc_release_host(host);  
    mmc_power_off(host);  
  
out:  
    if (host->caps & MMC_CAP_NEEDS_POLL)  
        mmc_schedule_delayed_work(&host->detect, HZ);  
}  

MMC/SD卡驱动程序的重要函数mmc_add_host,用于挂载一个mmc_host到内核,定义在host.c中:

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int mmc_add_host(struct mmc_host *host)  
{  
    int err;  
  
    WARN_ON((host->caps & MMC_CAP_SDIO_IRQ) &&  
        !host->ops->enable_sdio_irq);  
  
    led_trigger_register_simple(dev_name(&host->class_dev), &host->led);  
  
    err = device_add(&host->class_dev);  
    if (err)  
        return err;  
  
#ifdef CONFIG_DEBUG_FS  
    mmc_add_host_debugfs(host);  
#endif  
  
    mmc_start_host(host);  
  
    return 0;  
}  

可以从SD卡平台驱动看到上面函数的调用情况:
static int __devinit s3cmci_probe(struct platform_device *pdev)

{

    

    struct s3cmci_host *host;

    //实例一个名为mmc的结构体指针,用于与Core核心层中的mmc_host结构体指针相关联

    struct mmc_host    *mmc;

    int ret;

 

    spin_lock_init(&host->complete_lock);

    

    //分配mmc_host结构体指针的内存空间大小,该函数在host.c中实现,这里要注意一点,为什么参数

    //是s3cmci_host结构体的大小,到host.c中看,实际这里分配的是mmc_host加s3cmci_host的大小。
    mmc = mmc_alloc_host(sizeof(struct s3cmci_host), &pdev->dev);

    if (!mmc) 

    {

        ret = -ENOMEM;

        goto probe_out;

    }

    //调用mmc_priv函数将mmc_host和s3cmci_host结构体的对象关联起来,mmc_priv定义在host.h中

    host = mmc_priv(mmc);

    

    //下面就开始初始化s3cmci_host结构体的各成员

    host->mmc     = mmc;

    host->pdev    = pdev;

    host->pdata   = pdev->dev.platform_data;   

    ..................................

    ..................................

    ..................................

    

    //下面对mmc_host进行初始化

    mmc->ops       = &s3cmci_ops;    //SDI主机控制器操作结构体

    mmc->ocr_avail = MMC_VDD_32_33 | MMC_VDD_33_34;   //设置工作电压范围

    mmc->caps      = MMC_CAP_4_BIT_DATA;              //设置总线宽度为4位

    mmc->f_min     = host->clk_rate / (host->clk_div * 256); //设置最小工作频率

    mmc->f_max     = host->clk_rate / host->clk_div;  //设置最大工作频率

    mmc->max_blk_count  = 4095;

    mmc->max_blk_size   = 4095;

    mmc->max_req_size   = 4095 * 512;

    mmc->max_seg_size   = mmc->max_req_size;

    mmc->max_phys_segs  = 128;

    mmc->max_hw_segs    = 128;

    //将SDI host设备注册到系统中

    ret = mmc_add_host(mmc);

    if (ret) 

    {

        dev_err(&pdev->dev, "failed to add mmc host./n");

        goto free_cpufreq;

    }

    //将SDI host设备的数据赋值给系统平台设备

    platform_set_drvdata(pdev, mmc);

    return 0;

   ..................................

   ..................................

   ..................................

 probe_free_host:

    mmc_free_host(mmc);

 probe_out:

    return ret;
}
http://blog.csdn.net/wavemcu/article/details/7366852
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