linux设备驱动那点事儿之SD卡驱动理论篇.pdf

一.SD/MMC 卡介绍1.1.什么是 MMC卡MMC：MMC 就是 MultiMediaCard的缩写，即多媒体卡。它是一种非易失性存储器件，体积小巧(24mm*32mm*1.4mm)，容量大,耗电量低,传输速度快，广泛应用于消费类电子产品中。1.2.什么是 SD 卡SD：SD卡为 Secure Digital Memory Card,即安全数码卡。它在 MMC 的基础上发展而来，增加了两个主要特色：SD卡强调数据的安全安全，可以设定所储存的使用权限，防止数据被他人复制;另外一个特色就是传输速度比2.11版的 MMC卡快。在数据传输和物理规范上，SD 卡(24mm*32mm*2.1mm,比 MMC 卡更厚一点)，向前兼容了 MMC 卡.所有支持 SD卡的设备也支持 MMC 卡。SD 卡和2.11版的 MMC卡完全兼容。1.3.什么是 SDIOSDIO：SDIO 是在 SD 标准上定义了一种外设接口，它和 SD卡规范间的一个重要区别是增加了低速标准。在 SDIO 卡只需要 SPI 和1位 SD传输模式。低速卡的目标应用是以最小的硬件开销支持低速 IO能力。1.4.什么是 MCIMCI：MCI 是 Multimedia Card Interface 的简称，即多媒体卡接口。上述的MMC,SD,SDI 卡定义的接口都属于 MCI 接口。MCI 这个术语在驱动程序中经常使用，很多文件，函数名字都包括”mci”.1.5.MMC/SD/SDIO卡的区别二.SD/MMC 协议与命令1.SD/MMC 卡相关寄存器SD 卡内部有7个寄存器.其中 OCR,CID,CSD和 SCR寄存器保存卡的配置信息;RCA寄存器保存着通信过程中卡当前暂时分配的地址(只适合 SD模式);卡状态(CardStatus)和 SD状态(SD Status)寄存器保存着卡的状态(例如,是否写成功,通信的 CRC 校验是否正确等),这两个寄存器的内容与通信模式(SD模式或 SPI 模式)相关.MMC 卡没有 SCR和 SD Status寄存器.如下表1所示:表1 SD卡内部7个寄存器1.1.OCR 寄存器OCR寄存器保存着SD/MMC卡的供电电允许范围.如下表2所示:如果OCR寄存器的某位为1，表示卡支持该位对应的电压。最后一位表示卡上电后的状态(是否处于”忙状态”)，如果该位为0，表示忙，如果为1，表示处于空闲状态(MMC/SD 协议 P60)。表2OCR 寄存器1.2.CID 寄存器CID为一个16个字节的寄存器，该寄存器包含一个独特的卡标识号。如下表3所示：表3CID 寄存器1.3.CSD 寄存器CSD寄存器(卡特殊数据寄存器)包含访问卡存储时需要的相关信息。如下表4所示：表4CSD 寄存器1.4.SCR 寄存器SCR寄存器提供 SD卡的特殊特性信息，其大小为64位。该寄存器由厂商编程，主机不能对它进行编程。MMC 卡没有 SCR。如下表5所示：表 5 SCR 寄存器1.5.RCA 寄存器该16位卡地址寄存器保存了在卡识别过程中卡发布的器件地址。该地址用于在卡识别后主机利用该地址与卡进行通信。该寄存器只有在 SD总线模式下才有效。二.SD卡的引脚图三.SD 卡的命令3.1.SD卡的命令格式：SD 卡的指令由6字节(Byte)组成，如下：Byte1：0 1 x x x x x x(命令号，由指令标志定义 CMD39为100111即16进制0 x27，那么完整的 CMD39第一字节为01100111，即0 x27+0 x40)。Byte2-5:Command Arguments,命令参数，有些命令没有参数。Byte6:前7位为CRC(Cyclic Redundacy Check，循环冗余校验)校验位，最后一位为停止位0。3.2.SD 卡的命令SD 卡命令共分为12类，分别为 class0到 Class11.3.2.1.Class0:(卡的识别、初始化等基本命令集)CMD0:复位 SD 卡。CMD1:读 OCR寄存器。CMD9:读 CSD寄存器。CMD10:读 CID 寄存器。CMD12:停止读多块时的数据传输。CMD13:读 Card_Status 寄存器。3.2.2.Class2(读卡命令集):CMD16:设置块的长度。CMD17:读单块。CMD18:读多块,直至主机发送 CMD12为止。3.2.3.Class4(写卡命令集):CMD24:写单块。CMD25:写多块。CMD27:写 CSD 寄存器。3.2.4.Class5(擦除卡命令集):CMD32:设置擦除块的起始地址。CMD33:设置擦除块的终止地址。CMD38:擦除所选择的块。3.2.5.Class6(写保护命令集):CMD28:设置写保护块的地址。CMD29:擦除写保护块的地址。CMD30:Ask the card for the status of the write protection bitsclass7：卡的锁定，解锁功能命令集。class8：申请特定命令集。class10 11：保留。3.3.SD卡的工作流程首先看下脱离操作系统如何在 ARM 处理器上实现 SD 卡的读写。过程可以分为3个大的步骤：初始化 sd 卡、写 sd 卡、读 sd 卡。3.3.1.工作条件检测卡在识别模式下的命令流程如图3.1所示(英文版见标准 SD 卡协议 P24)图3.1 卡在识别模式下的命令流程1)在主机和 SD卡进行任何通信之前，主机不知道 SD卡支持的工作电压范围，卡也不知道是否支持主机当前提供的电压。因此主机首先使用默认的电压发送一条 reset 指令(CMD0)。2)为了验证 SD 卡的接口操作状态，主机发送 SEND_IF_COND(CMD8),用于取得 SD卡支持工作的电压范围数据。SD卡通过检测 CMD8的参数部分来检查主机使用的工作电压，主机通过分析回传的 CMD8参数部分来校验 SD卡是否可以在所给电压下工作，如果 SD卡可以在指定电压下工作，则它回送 CMD8的命令响应字。如果不支持所给电压，则 SD卡不会给出任何响应信息，并继续处于 IDLE 状态。3)在发送 ACMD41命令初始化高容量的 SD 卡前，需要强制发送 CMD8命令。强制低电压主机在发送 CMD8前发送 ACMD41，万一双重电压 SD 卡没有收到 CMD8命令且工作在高电压状态，在这种情况下，低电压主机不能不发送 CMD8命令给卡，则收到 ACMD41后进入无活动状态。4)SD_SEND_OP_COND(ACMD)命令是为 SD 卡主机识别卡或者电压不匹配时拒绝卡的机制设计的。主机发送命令操作数代表要求的电压窗口大小。如果 SD卡在所给的范围内不能实现数据传输，将放弃下一步的总线操作而进入无活动。操作状态寄存器也将被定义。5)在主机发出复位命令(CMD0)后，主机将先发送 CMD8再发送 ACMD41命令重新初始化 SD 卡。3.3.2.卡的初始化和识别处理当总线被激合后，主机就开始卡的初始化和识别3处理。初始化处理设置它的操作状态和是设置 OCR 中的 HCS比特命令 SD_SEND_OP_COND(ACMD41)开始。HCS比特位被设置为1表示主机支持高容量 SD 卡。HCS 被设置为0表示主机不支持高容量 SD卡。卡的初始化和识别流程见图3.2图 3.2卡的初始化和识别流程3.3.3.数据传输模式卡在识别模式结束后，主机时钟 fpp(数据传输时钟频率)将保存为 fod(卡识别模式下的时钟)，由于有些卡对操作时钟有限制。主机必须发送 SEND_CSD(CMD9)来获得卡规格数据积存器内容，如块大小，卡容量。广播命令 SET_DSR(CMD4)配置所有识别卡的驱动阶段。它对 DSR 积存器进行编程以适应应用总线布局，总线上的卡数目和数据传输频率。SD 卡数据传输模式的流程图(英文版协议 P26)如图3.3所示图3.3 SD 卡数据传输模式的流程图1)CMD7命令用来选择某个 SD 卡，使其进入 Transfer 状态，在指定时间段内，只有一个卡能处于 Transfer 状态。当某个先前被选中的处于 Transfer状态的SD 卡接收到 CMD7之后，会释放与控制器的连接，并进入 Stand-by 态。当 CMD7使用保留地址0 x0000时，所有的 SD 卡都会进入 Stand-by状态。2)所有的数据读命令都可以被停止命令（CMD12）在任意时刻终止。数据传输会终止，SD 卡返回 Transfer状态。读命令有：块读操作（CMD17）、多块读操作（CMD18）、发送写保护（CMD30）、发送 scr（ACMD51）以及读模式下的普通命令（CMD56）。3)所有的数据写命令都可以被停止命令（CMD12）在任意时刻终止。写命令也会在取消选择命令（CMD7）之前停止。写命令有：块写操作（CMD24，CMD25）、编程命令（CMD27）、锁定/解锁命令（CMD42）以及写模式下的普通命令（CMD56）。4)数据传输一旦完成，SD 卡会退出数据写状态，进入 Programming状态（传输成功）或者 Transfer 状态（传输失败）。四.Linux 中 SD/MMC 设备驱动流程4.1.MMC 子系统的基本框架4.1.1.MMC子系统的代码在 kernel/driver/MMC 下面，目前 MMC子系统支持一些形式的记忆卡:SD,SDIO,MMC。4.1.2.HOST：针对不同主机的驱动程序，这一部分需要根据自己的特定平台来完成。4.1.3.CORE：这是整个 MMC 的核心层，这部分完成了不同协议和规范的实现，并且为 HOST 层的驱动提供接口函数。4.1.4.CARD：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 SD 卡如何实现为块设备的。4.1.5.各层之间的关系4.2.重要的结构体4.2.1.structmmc_host用来描述卡控制器位kernel/include/linux/mmc/host.h 下面。4.2.2.struct mmc_card 用来描述卡位于 kernel/include/linux/mmc/card.h下面4.2.3.structmmc_driver用来描述mmc卡驱动在kernel/include/linux/mmc/card.h 下面。4.2.4.struct mmc_host_ops 用来描述卡控制器操作集，用于从主机控制器向core 层注册操作函数，从而将 core 层与具体的主机控制器隔离。也就是说 core要操作主机控制器，就是这个 ops 当中给的函数指针操作，不能直接调用具体主控制器的函数。位于 kernel/include/linux/mmc/host.h 下面。4.2.5.struct mmc_ios 用于描述了控制器对卡的 I/O 状态。位于kernel/include/linux/mmc/host.h 下面。4.2.6.structmmc_request 用于描述读写 MMC 卡的请求，它包括命令,数据以及请求完成后的回调函数。位于 kernel/include/linux/mmc/core.h 中。4.2.7.structmmc_queue 是 MMC 的请求队列结构，它封装了通用请求队列结构，加入了 MMC 卡相关结构。位于 kernel/drivers/mmc/card/queue.h 中。4.2.8.structmmc_data 描述了 MMC 卡读写的数据相关信息，如：请求，操作命令，数据以及状态等。位于 kernel/include/linux/mmc/core.h 中。4.2.9.struct mmc_command 描述了 MMC卡操作相关命令及数据，状态信息等。位于 kernel/include/linux/mmc/core.h 中。4.3.host,core 以及 card 之间的关联和处理流程4.3.1总体的流程如下图所示4.3.2.数据.命令的处理流程在代码分析那里会仔细分析4.4：核心任务MMC/SD卡的驱动整个构架由三个文件组成，其实一共就做了两件事件：1).卡的检测。2).卡数据的读取。4.4.1.卡的检测中涉及到的函数tcc_mmc_probe(host/tcc_sdhc.c)mmc_alloc_host(core/core.c)mmc_rescan(core/core.c)mmc_attach_mmc(core/mmc.c)mmc_init_card(core/mmc.c)mmc_add_card(core/bus.c)device_addmmc_bus_match(core/bus.c)mmc_bus_probe(core/bus.c)mmc_blk_probe(card/block.c)alloc_disk/add_disk4.4.2.卡中数据读写涉及到的函数mmc_blk_issue_rq(card/block.c)mmc_wait_for_req(core/core.c)mmc_start_request(core/core.c)host-ops-requset(host,mrq)/tcc_sdhc.c中的 tcc_mmc_request