1. 總論
2. 主控制器
3. 協議層
4. 塊設備
1. 總論
1.1 概念
- MMC - MultiMedia Card
- SD - Secure Digital Card
1.2 分類
- 按存儲大小，普通SD卡（<=2GB，支持FAT12/FAT16），HCSD卡(>2GB,<=32GB，支持FAT32)
- 按體積大小，普通SD卡，mini-SD卡，micro-SD卡（TF卡）
1.3 速度
- 默認模式: 12.5MB/s
- 高速模式: 25MB/s
1.4 子系統代碼結構
Linux源碼裏/drivers/mmc下有三個文件夾，分別存放了SD塊設備，核心層和SD主控制器的相關代碼，可以通過Kconfig和Makefile獲取更多信息。
2. 主控制器
SD卡的控制器芯片，可以看成CPU的代言人，它爲CPU分擔了完成與SD卡數據通信的任務。
2.1 數據結構
以PXA芯片的SD控制器驅動爲例，
struct pxamci_host {
struct mmc_host *mmc;
struct mmc_request *mrq;
struct mmc_command *cmd;
struct mmc_data *data;
... ...
};
2.1.1 struct mmc_host
結構體mmc_host定義於/include/linux/mmc/host.c，可以認爲是linux爲SD卡控制器專門準備的一個類，該類裏面的成員是所有SD卡控制器都需要的，放之四海而皆準的數據結構，而在PXA芯片控制器的驅動程序pxamci.c中，則爲該類具體化了一個對象struct mmc_host *mmc，此mmc指針即指代着該PXA芯片SD卡控制器的一個具體化對象。
struct mmc_host {
const struct mmc_host_ops *ops; // SD卡主控制器的操作函數，即該控制器所具備的驅動能力
const struct mmc_bus_ops *bus_ops; // SD總線驅動的操作函數，即SD總線所具備的驅動能力
struct mmc_ios ios; // 配置時鐘、總線、電源、片選、時序等
struct mmc_card *card; // 連接到此主控制器的SD卡設備
... ...
};
struct mmc_host_ops {
void (*request)(struct mmc_host *host, struct mmc_request *req); // 核心函數，完成主控制器與SD卡設備之間的數據通信
void (*set_ios)(struct mmc_host *host, struct mmc_ios *ios); // 配置時鐘、總線、電源、片選、時序等
int (*get_ro)(struct mmc_host *host);
void (*enable_sdio_irq)(struct mmc_host *host, int enable);
};
struct mmc_bus_ops {
void (*remove)(struct mmc_host *); // 拔出SD卡的回調函數
void (*detect)(struct mmc_host *); // 探測SD卡是否還在SD總線上的回調函數
void (*suspend)(struct mmc_host *);
void (*resume)(struct mmc_host *);
};
struct mmc_card {
struct mmc_host *host; /* the host this device belongs to */
struct device dev; /* the device */
unsigned int rca; /* relative card address of device */
unsigned int type; /* card type */
unsigned int state; /* (our) card state */
unsigned int quirks; /* card quirks */
u32 raw_cid[4]; /* raw card CID */
u32 raw_csd[4]; /* raw card CSD */
u32 raw_scr[2]; /* raw card SCR */
struct mmc_cid cid; /* card identification */
struct mmc_csd csd; /* card specific */
struct mmc_ext_csd ext_csd; /* mmc v4 extended card specific */
struct sd_scr scr; /* extra SD information */
struct sd_switch_caps sw_caps; /* switch (CMD6) caps */
unsigned int sdio_funcs; /* number of SDIO functions */
struct sdio_cccr cccr; /* common card info */
struct sdio_cis cis; /* common tuple info */
... ...
};
mmc_card結構體內的數據結構主要存放SD卡的信息，其中RCA, CID, CSD, SCR爲SD卡內部的32位寄存器。
2.1.2 struct mmc_request
結構體mmc_request定義於/include/linux/mmc/core.h，它主要存放兩大數據結構的指針，分別是cmd和data，顧名思意，一個爲指令，一個爲數據，也就是說，mmc_request結構體存放了進行主控制器與sd卡間通信所需要的指令和數據，struct mmc_request, struct mmc_command *cmd, struct mmc_data *data三者之間的關係如下所示，
struct mmc_request {
struct mmc_command *cmd;
struct mmc_data *data;
struct mmc_command *stop;
void *done_data; /* completion data */
void (*done)(struct mmc_request *);/* completion function */
};
說到結構體mmc_command和mmc_data，就必須說說SD卡的協議了。
1) 物理結構
SD卡有9個pin腳（micro-SD爲8個，少一個接地pin腳），如圖所示，
SD的數據傳輸方式有兩種，普通SD模式和SPI模式，以SD模式爲例，9個pin腳分別是VDD,VSS,CLK，以及我們需要關注的一根指令線CMD，4根數據線DAT0~DAT3。
2) 傳輸模式
首先由主機向SD卡發送命令command，等待SD卡的回覆response，如果成功收到回覆，則進行數據傳輸。其中，指令線和數據線上傳輸的指令和數據都要遵循相應的協議格式。
3) 指令格式
一條指令command共48位，其中command index指代這條具體的指令名稱，argument爲該指令的參數。
一條回覆response根據不同的指令有幾種不同類型。
struct mmc_command {
u32 opcode; // 對應command index
u32 arg; // 對應argument
u32 resp[4]; // 對應response
unsigned int flags; /* expected response type */
... ...
unsigned int retries; /* max number of retries */
unsigned int error; /* command error */
struct mmc_data *data; /* data segment associated with cmd */
struct mmc_request *mrq; /* associated request */
};
4) 數據格式
數據傳輸按數據線可分爲一線傳輸和四線傳輸，按數據大小可分爲字節傳輸和塊傳輸（512字節）。
struct mmc_data {
unsigned int timeout_ns; /* data timeout (in ns, max 80ms) */
unsigned int timeout_clks; /* data timeout (in clocks) */
unsigned int blksz; /* data block size */
unsigned int blocks; /* number of blocks */
unsigned int error; /* data error */
unsigned int flags;
#define MMC_DATA_WRITE (1 << 8)
#define MMC_DATA_READ (1 << 9)
#define MMC_DATA_STREAM (1 << 10)
unsigned int bytes_xfered;
struct mmc_command *stop; /* stop command */
struct mmc_request *mrq; /* associated request */
unsigned int sg_len; /* size of scatter list */
struct scatterlist *sg; /* I/O scatter list */
};
2.2 驅動程序
系統初始化時掃描platform總線上是否有名爲該SD主控制器名字"pxa2xx-mci"的設備，如果有， 驅動程序將主控制器掛載到platform總線上，並註冊該驅動程序。
static int __init pxamci_init(void)
{
return platform_driver_register(&pxamci_driver);
}
static struct platform_driver pxamci_driver = {
.probe = pxamci_probe,
.remove = pxamci_remove,
.suspend = pxamci_suspend,
.resume = pxamci_resume,
.driver = {
.name = “pxa2xx-mci”,
.owner = THIS_MODULE,
},
};
其中，remove爲probe的反操作，suspend和resume涉及電源管理的內容，本文重點討論probe。
SD主控制器驅動程序的初始化函數probe(struct platform_device *pdev)，概括地講，主要完成五大任務，
-
初始化設備的數據結構，並將數據掛載到pdev->dev.driver_data下
-
實現設備驅動的功能函數，如mmc->ops = &pxamci_ops;
-
申請中斷函數request_irq()
- 註冊設備，即註冊kobject，建立sys文件，發送uevent等
-
其他需求，如在/proc/driver下建立用戶交互文件等
2.2.1 註冊設備
對於設備的註冊，所有設備驅動的相關代碼都類似。
static int pxamci_probe(struct platform_device *pdev)
{
mmc = mmc_alloc_host(sizeof(struct pxamci_host), &pdev->dev);
mmc_add_host(mmc);
... ...
}
這兩個函數都由/drivers/mmc/core核心層下的host.c負責具體實現，
1) mmc_alloc_host
爲主設備控制器建立數據結構，建立kobject，並初始化等待隊列，工作隊列，以及一些控制器的配置。其中，INIT_DELAYED_WORK(&host->detect, mmc_rescan);將探測SD卡的函數mmc_rescan與工作隊列host->detect關聯，mmc_rescan是整個SD子系統的核心函數，本文第三部分協議層將對它作重點討論。
struct mmc_host *mmc_alloc_host(int extra, struct device *dev)
{
/* 建立數據結構 */
struct mmc_host *host;
host = kzalloc(sizeof(struct mmc_host) + extra, GFP_KERNEL);
/* 建立kobject */
host->parent = dev;
host->class_dev.parent = dev;
host->class_dev.class = &mmc_host_class;
device_initialize(&host->class_dev);
/* 初始化等待隊列，工作隊列 */
init_waitqueue_head(&host->wq);
INIT_DELAYED_WORK(&host->detect, mmc_rescan);
/* 配置控制器 */
host->max_hw_segs = 1;
host->max_phys_segs = 1;
... ...
return host;
}
2) mmc_add_host
完成kobject的註冊，並調用mmc_rescan，目的在於在系統初始化的時候就掃描SD總線查看是否存在SD卡。注意到這裏的工作隊列的延時時間delay爲0，因爲系統啓動的時候不考慮插拔SD卡，關於這個delay將在下文討論。
int mmc_add_host(struct mmc_host *host)
{
device_add(&host->class_dev);
mmc_start_host(host);
... ...
}
void mmc_start_host(struct mmc_host *host)
{
mmc_power_off(host);
mmc_detect_change(host, 0);
}
void mmc_detect_change(struct mmc_host *host, unsigned long delay)
{
mmc_schedule_delayed_work(&host->detect, delay);
}
static int mmc_schedule_delayed_work(struct delayed_work *work, unsigned long delay)
{
wake_lock_timeout(&mmc_delayed_work_wake_lock, HZ * 2);
return queue_delayed_work(workqueue, work, delay);
}
{
struct pxamci_host *host = NULL;
mmc->max_hw_segs = NR_SG;
host->mmc = mmc;
host->dma = -1;
host->pdata = pdev->dev.platform_data;
host->clkrt = CLKRT_OFF;
host->clkrate = clk_get_rate(host->clk);
const char * name;
int id;
struct device dev;
u32 num_resources;
struct resource * resource;
};
.name = "pxa2xx-mci",
.id = 0,
.dev = {
.dma_mask = &pxamci_dmamask,
.coherent_dma_mask = 0xffffffff,
},
.num_resources = ARRAY_SIZE(pxamci_resources),
.resource = pxamci_resources,
};
[0] = {
.start = 0x41100000,
.end = 0x41100fff,
.flags = IORESOURCE_MEM, // SD主控制器芯片的起始地址
},
[1] = {
.start = IRQ_MMC, /* #define IRQ_MMC 23 */
.flags = IORESOURCE_IRQ, // 申請的中斷號
},
... ...
void *platform_data; /* Platform specific data, device core doesn't touch it */
.detect_delay = 50,
.ocr_mask = MMC_VDD_32_33|MMC_VDD_33_34,
.init = saar_mci_init,
.exit = saar_mci_exit,
};
{
struct platform_device *pdev = to_platform_device(dev);
int cd_irq, gpio_cd; // cd - card detect
gpio_direction_input(gpio_cd); // 將GPIO61設爲輸入類型
... ...
得到SD主控制器特有數據後，將其掛載到dev.platform_data下，並最終完成對platform_device *dev的註冊。
{
dev->dev.platform_data = data;
}
{
struct mmc_host *mmc;
struct pxamci_host *host = NULL;
struct resource *r;
int ret, irq;
r = request_mem_region(r->start, SZ_4K, DRIVER_NAME); // 爲芯片申請4k的內存空間
host->res = r;
host->irq = irq;
2.2.3 設備驅動的功能函數
struct module *owner;
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
int (*open) (struct inode *, struct file *);
};
{
.request = pxamci_request,
.get_ro = pxamci_get_ro,
.set_ios = pxamci_set_ios,
.enable_sdio_irq = pxamci_enable_sdio_irq,
};
{
struct pxamci_host *host = mmc_priv(mmc); unsigned int cmdat;
host->cmdat &= ~CMDAT_INIT;
pxamci_setup_data(host, mrq->data);
cmdat |= CMDAT_DATAEN | CMDAT_DMAEN;
if (mrq->data->flags & MMC_DATA_WRITE)
cmdat |= CMDAT_WRITE;
cmdat |= CMDAT_STREAM;
}
}
至此，我們必須去接觸SD主控制器的芯片手冊了。
首先，SD主控制器由一系列32位寄存器組成。通過軟件的方式，即對寄存器賦值，來控制SD主控制器，進而扮演SD主控制器的角色與SD卡取得通信。
pxamci_setup_data(host, mrq->data); // 實現主控制器與SD卡之間數據的傳輸
cmdat |= CMDAT_DATAEN | CMDAT_DMAEN; // 有數據傳輸，使用DMA
if (mrq->data->flags & MMC_DATA_WRITE)
cmdat |= CMDAT_STREAM; // 設置爲數據流stream模式
{
host->data = data;
writel(data->blksz, host->base + MMC_BLKLEN); // 設置一個塊的大小(一般爲512byte)
host->dma_dir = DMA_FROM_DEVICE;
dcmd = DCMD_INCTRGADDR | DCMD_FLOWTRG;
DRCMR(host->dma_drcmrtx) = 0;
DRCMR(host->dma_drcmrrx) = host->dma | DRCMR_MAPVLD;
} else {
host->dma_dir = DMA_TO_DEVICE;
dcmd = DCMD_INCSRCADDR | DCMD_FLOWSRC;
DRCMR(host->dma_drcmrrx) = 0;
DRCMR(host->dma_drcmrtx) = host->dma | DRCMR_MAPVLD;
}
unsigned int length = sg_dma_len(&data->sg[i]);
host->sg_cpu[i].dcmd = dcmd | length;
if (length & 31)
host->sg_cpu[i].dcmd |= DCMD_ENDIRQEN;
if (data->flags & MMC_DATA_READ) {
host->sg_cpu[i].dsadr = host->res->start + MMC_RXFIFO;
host->sg_cpu[i].dtadr = sg_dma_address(&data->sg[i]);
} else {
host->sg_cpu[i].dsadr = sg_dma_address(&data->sg[i]);
host->sg_cpu[i].dtadr = host->res->start + MMC_TXFIFO;
}
host->sg_cpu[i].ddadr = host->sg_dma + (i + 1) *
sizeof(struct pxa_dma_desc);
}
host->sg_cpu[host->dma_len - 1].ddadr = DDADR_STOP;
wmb();
DCSR(host->dma) = DCSR_RUN;
}
{
host->cmd = cmd;
cmdat |= CMDAT_BUSY;
switch (RSP_TYPE(mmc_resp_type(cmd))) {
case RSP_TYPE(MMC_RSP_R1): /* r1, r1b, r6, r7 */
cmdat |= CMDAT_RESP_SHORT;
break;
case RSP_TYPE(MMC_RSP_R3):
cmdat |= CMDAT_RESP_R3;
break;
case RSP_TYPE(MMC_RSP_R2):
cmdat |= CMDAT_RESP_R2;
break;
default:
break;
}
writel(cmd->arg >> 16, host->base + MMC_ARGH);
writel(cmd->arg & 0xffff, host->base + MMC_ARGL);
writel(cmdat, host->base + MMC_CMDAT);
}
{
DECLARE_COMPLETION_ONSTACK(complete);
mrq->done = mmc_wait_done;
}
{
... ...
}
1) 由主控芯片內部電路引起的中斷
{
struct pxamci_host *host = devid; // 得到主控制器的數據
unsigned int ireg; int handled = 0;
ireg = readl(host->base + MMC_I_REG) & ~readl(host->base + MMC_I_MASK); // 讀取中斷寄存器的值
unsigned stat = readl(host->base + MMC_STAT); // 讀取狀態寄存器的值
handled |= pxamci_cmd_done(host, stat);
if (ireg & DATA_TRAN_DONE)
handled |= pxamci_data_done(host, stat);
if (ireg & SDIO_INT) {
mmc_signal_sdio_irq(host->mmc);
}
}
當調用(*request)，即host->ops->request(host, mrq)，即上文中的pxamci_request()後，控制器與SD卡之間開始進行一次指令或數據傳輸，通信完畢後，主控芯片將產生一個內部中斷，以告知此次指令或數據傳輸完畢。這個中斷的具體值將保存在一個名爲MMC_I_REG的中斷寄存器中以供讀取，中斷寄存器MMC_I_REG中相關描述如下，
-> pxamci_cmd_done 收到結束指令的內部中斷信號，主控制器從SD卡那裏得到response，結束這次指令傳輸
這裏需要注意，寄存器MMC_RES裏已經存放了來自SD卡發送過來的response，以供讀取。
{
struct mmc_command *cmd = host->cmd;
cmd->error = -ETIMEDOUT;
} else if (stat & STAT_RES_CRC_ERR && cmd->flags & MMC_RSP_CRC) {
if (host->data && !cmd->error) {
pxamci_enable_irq(host, DATA_TRAN_DONE);
} else {
pxamci_finish_request(host, host->mrq); // 結束一次傳輸，清空主控制器中的指令和數據
}
}
{
struct mmc_data *data = host->data;
dma_unmap_sg(mmc_dev(host->mmc), data->sg, host->dma_len, host->dma_dir);
data->error = -ETIMEDOUT;
else if (stat & (STAT_CRC_READ_ERROR|STAT_CRC_WRITE_ERROR))
data->error = -EILSEQ;
data->bytes_xfered = data->blocks * data->blksz; // 數據傳輸量=塊的數量*每個塊的大小(一般爲512字節)
else
data->bytes_xfered = 0;
pxamci_finish_request(host, host->mrq);
... ...
static void pxamci_finish_request(struct pxamci_host *host, struct mmc_request *mrq)
{
host->mrq = NULL;
host->cmd = NULL;
host->data = NULL;
mmc_request_done(host->mmc, mrq);
set_mmc_cken(host, 0);
unset_dvfm_constraint();
}
void mmc_request_done(struct mmc_host *host, struct mmc_request *mrq)
{
if (mrq->done)
mrq->done(mrq);
}
{
DECLARE_COMPLETION_ONSTACK(complete);
mrq->done = mmc_wait_done;
}
{
complete(mrq->done_data);
}
host->pdata->init(&pdev->dev, pxamci_detect_irq, mmc);
{
... ...
static irqreturn_t pxamci_detect_irq(int irq, void *devid)
{
struct pxamci_host *host = mmc_priv(devid);
return IRQ_HANDLED;
}
Linux在內核源碼的drivers/mmc/core文件夾下爲我們的提供了一系列SD卡的接口服務函數。可以查看Makefile如下，
可見，core文件夾下有針對總線的服務bus.c，針對主控制器的服務host.c，針對SD卡的服務sd.c, sd_ops.c等等。
其中，最爲核心的一個函數便是之前提到的位於core.c的mmc_rescan，概括來講，主要完成兩項任務，即
- 掃描SD總線，插入SD卡
- 掃描SD總線，拔出SD卡
3.1 插入SD卡
插入SD卡，主控制器產生中斷，進入中斷處理函數，處理工作隊列，執行mmc_rescan。
void mmc_rescan(struct work_struct *work)
{
struct mmc_host *host = container_of(work, struct mmc_host, detect.work); // 得到mmc_host的數據
/*
* First we search for SDIO...
*/
err = mmc_send_io_op_cond(host, 0, &ocr);
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);
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);
if (!err) {
if (mmc_attach_mmc(host, ocr))
mmc_power_off(host);
goto out;
}
... ...
}
插入SD卡，mmc_rescan掃描SD總線上是否存在SD卡，具體的實現方法就是通過向SD卡上電，看是否能成功，以普通SD卡爲例，爲普通SD卡上電的函數mmc_send_app_op_cond(host, 0, &ocr);如果上電成功，則返回0，即執行if()裏的mmc_attach_sd()進行總線與SD卡的綁定。如果上電失敗，則返回非0值，跳過if()，嘗試其他上電的方法。那麼，上電方法究竟有何不同呢？具體看看mmc_send_app_op_cond()的實現過程，
int mmc_send_app_op_cond(struct mmc_host *host, u32 ocr, u32 *rocr)
{
struct mmc_command cmd;
cmd.opcode = SD_APP_OP_COND; /* #define SD_APP_OP_COND 41 */
mmc_wait_for_app_cmd(host, NULL, &cmd, MMC_CMD_RETRIES);
... ...
}
int mmc_wait_for_app_cmd(struct mmc_host *host, struct mmc_card *card, struct mmc_command *cmd, int retries)
{
mmc_app_cmd(host, card); /* #define MMC_APP_CMD 55 */
mrq.cmd = cmd;
cmd->data = NULL;
mmc_wait_for_req(host, &mrq);
... ...
}
這裏的指令SD_APP_OP_COND只有SD2.0的協議支持，也就是說，只有普通SD卡支持，所以也只有普通SD卡能夠成功上電。
如果上電成功，就開始進行總線與SD卡的綁定，通過mmc_attach_sd()，綁定過程可分爲四步，
- 註冊SD總線上的操作函數 - struct mmc_bus_ops mmc_sd_ops
- 設置主控制器的時鐘和總線方式 - 通過回調函數host->ops->set_ios();
- 啓動SD卡 - 根據協議，完成SD卡啓動的各個步驟
- 註冊SD卡設備驅動
3.1.1 註冊總線上的操作函數
int mmc_attach_sd(struct mmc_host *host, u32 ocr)
{
mmc_sd_attach_bus_ops(host);
... ...
}
static void mmc_sd_attach_bus_ops(struct mmc_host *host)
{
const struct mmc_bus_ops *bus_ops;
bus_ops = &mmc_sd_ops;
mmc_attach_bus(host, bus_ops);
}
void mmc_attach_bus(struct mmc_host *host, const struct mmc_bus_ops *ops)
{
host->bus_ops = ops;
host->bus_refs = 1;
host->bus_dead = 0;
}
static const struct mmc_bus_ops mmc_sd_ops = {
.remove = mmc_sd_remove, // 拔出SD卡的操作函數
.detect = mmc_sd_detect, // 探測SD卡的操作函數
.suspend = NULL,
.resume = NULL,
.power_restore = mmc_sd_power_restore, // 重新啓動SD卡的操作函數
};
這裏的mmc_sd_detect和mmc_sd_remove就是拔出SD卡所需要用到的函數，下文將詳細討論。這裏需要注意的是，插入SD卡的時候，並不執行mmc_sd_detect和mmc_sd_remove這兩個函數，但是會註冊它們，也就是說，這兩個函數的功能已經實現，將來可以使用。
3.1.2 設置時鐘和總線
int mmc_attach_sd(struct mmc_host *host, u32 ocr)
{
host->ocr = mmc_select_voltage(host, ocr);
... ...
}
u32 mmc_select_voltage(struct mmc_host *host, u32 ocr)
{
mmc_set_ios(host);
... ...
}
static inline void mmc_set_ios(struct mmc_host *host)
{
struct mmc_ios *ios = &host->ios;
host->ops->set_ios(host, ios); // 設置主控制器時鐘和總線的回調函數，具體實現由主控制器驅動完成
}
從這裏可以體會到回調函數的精髓：協議層裏利用回調函數爲所有滿足該協議的設備提供統一的接口，而具體實現由底層不同的設備驅動各自完成。注意到，之所以要定義一些放之四海而皆準的公用的類，比如struct mmc_host，就是需要通過struct mmc_host *host指針作爲形參傳到協議層所提供的接口函數中，從而得以調用。
3.1.3 啓動SD卡
int mmc_attach_sd(struct mmc_host *host, u32 ocr)
{
mmc_sd_init_card(host, host->ocr, NULL);
... ...
}
mmc_sd_init_card主要完成以下任務，
- SD卡的啓動過程
- 得到寄存器CID, CSD, SCR, RCA的數據
- 其他操作比如切換到高速模式，初始化card
static int mmc_sd_init_card(struct mmc_host *host, u32 ocr, struct mmc_card *oldcard)
{
/* SD卡的啓動過程 */
mmc_go_idle(host);
mmc_send_if_cond(host, ocr);
mmc_send_app_op_cond(host, ocr, NULL);
mmc_all_send_cid(host, cid);
mmc_send_relative_addr(host, &card->rca);
/* 得到寄存器CID, CSD, SCR的數據 */
mmc_send_csd(card, card->raw_csd);
mmc_decode_csd(card);
mmc_decode_cid(card);
mmc_app_send_scr(card, card->raw_scr);
mmc_decode_scr(card);
/* 其它操作 */
mmc_alloc_card(host, &sd_type);
mmc_select_card(card);
mmc_read_switch(card);
mmc_switch_hs(card);
... ...
}
1) SD卡的啓動過程
根據SD2.0協議，SD卡的狀態可分爲兩種模式：卡識別模式(card-identification mode)和數據傳輸模式(data-transfer mode)。這裏，我們關注啓動SD卡的卡識別模式。
結合代碼，
mmc_go_idle(host); CMD0
Idle State
mmc_send_if_cond(host, ocr); CMD8
mmc_send_app_op_cond(host, ocr, NULL); ACMD41
Ready State
mmc_all_send_cid(host, cid); CMD2
Identification State
mmc_send_relative_addr(host, &card->rca); CMD3
Stand-by State
2) 寄存器CID, CSD, SCR, RCA
-> 發送指令並得到寄存器的值
當主控制器向SD卡發送cmd指令，比如mmc_send_cid(card, card->raw_cid)，請求得到SD卡CID寄存器的值，當主控制器發送cmd完成後，芯片產生一個內部中斷，處理結束cmd的中斷函數，之後得到來自SD卡的response，即CID寄存器的值，存放於host->cmd->resp[i]中。關於內部中斷處理，參看上文的中斷一節裏的 mmc_wait_for_cmd()。
mmc_send_cid(card, card->raw_cid);這個函數發送了接收CSD寄存器的請求，並且得到了來自SD卡的CSD寄存器的值。
int mmc_send_cid(struct mmc_card *card, u32 *cid)
{
return mmc_send_cxd_native(card->host, card->rca << 16, cid, MMC_SEND_CID);
}
static int mmc_send_cxd_native(struct mmc_host *host, u32 arg, u32 *cxd, int opcode)
{
cmd.opcode = opcode;
cmd.arg = arg;
cmd.flags = MMC_RSP_R2 | MMC_CMD_AC;
mmc_wait_for_cmd(host, &cmd, MMC_CMD_RETRIES);
memcpy(cxd, cmd.resp, sizeof(u32) * 4); // 得到response賦給cxd，即card->raw_cid
... ...
}
-> 解析寄存器的值
爲什麼要解析？先來看看寄存器CID在SD卡協議裏的定義，它是一個128位的寄存器，存放了關於這塊SD卡的基本信息，就像自己的身份證。通過mmc_send_cid()將這個寄存器的數值賦給了card->raw_cid (定義 u32 raw_cid[4];) ，爲了方便得到具體某一個信息，協議層爲我們解析了寄存器裏的域，並賦給card->cid，比如廠商名稱，就可以通過card->cid.manfid直接讀取到。
static int mmc_decode_cid(struct mmc_card *card)
{
u32 *resp = card->raw_cid;
card->cid.manfid = UNSTUFF_BITS(resp, 120, 8);
card->cid.oemid = UNSTUFF_BITS(resp, 104, 16);
card->cid.prod_name[0] = UNSTUFF_BITS(resp, 96, 8);
card->cid.prod_name[1] = UNSTUFF_BITS(resp, 88, 8);
card->cid.prod_name[2] = UNSTUFF_BITS(resp, 80, 8);
card->cid.prod_name[3] = UNSTUFF_BITS(resp, 72, 8);
card->cid.prod_name[4] = UNSTUFF_BITS(resp, 64, 8);
card->cid.prod_name[5] = UNSTUFF_BITS(resp, 56, 8);
card->cid.serial = UNSTUFF_BITS(resp, 16, 32);
card->cid.month = UNSTUFF_BITS(resp, 12, 4);
card->cid.year = UNSTUFF_BITS(resp, 8, 4) + 1997;
return 0;
}
3.1.4 註冊SD卡設備驅動
int mmc_attach_sd(struct mmc_host *host, u32 ocr)
{
/* mmc_alloc_card(host, &sd_type); 在mmc_sd_init_card()已完成 */
mmc_add_card(host->card);
... ...
}
上文已經提到，設備驅動程序都會通過alloc_xxx()和add_xxx()兩步來註冊驅動，其實質是調用/drivers/base/core.c裏的device_initialize()和device_add()，device_add()完成建立kobject，sys文件，發送uevent，等工作。
3.2 拔出SD卡
void mmc_rescan(struct work_struct *work)
{
struct mmc_host *host = container_of(work, struct mmc_host, detect.work);
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);
... ...
}
這裏的mmc_bus_get/put()，爲SD總線加上一個自旋鎖，規定同時只能有一個線程在SD總線上操作。
3.2.1 bus_ops->detect()
mmc_rescan()掃描SD總線，如果發現host->ops上賦了值，即之前已有SD卡註冊過，就執行bus_ops->detect()操作去探測SD總線上是否還存在SD卡，如果不存在了，就執行bus_ops->remove()拔出SD卡。之前已經提到，這個bus_ops->detect()已在mmc_attach_sd()註冊完成了。
static void mmc_sd_detect(struct mmc_host *host)
{
mmc_claim_host(host);
/*
* Just check if our card has been removed.
*/
err = mmc_send_status(host->card, NULL);
mmc_release_host(host);
if (err) {
mmc_sd_remove(host);
mmc_claim_host(host);
mmc_detach_bus(host);
mmc_release_host(host);
}
}
這裏的mmc_claim_host(host)通過set_current_state(TASK_RUNNING);將當前進程設置爲正在運行進程。
mmc_send_status()發送得到SD卡狀態的請求，如果未能得到狀態數據，則執行mmc_sd_remove(host)拔出SD卡。
int mmc_send_status(struct mmc_card *card, u32 *status)
{
struct mmc_command cmd;
cmd.opcode = MMC_SEND_STATUS; /* #define MMC_SEND_STATUS 13 */
cmd.arg = card->rca << 16;
cmd.flags = MMC_RSP_SPI_R2 | MMC_RSP_R1 | MMC_CMD_AC;
err = mmc_wait_for_cmd(card->host, &cmd, MMC_CMD_RETRIES);
if (err)
return err; // 接收來自SD卡的response失敗，即沒有發現SD卡
if (status)
*status = cmd.resp[0];
return 0;
}
主控制器發送命令CMD13，要求得到SD卡的狀態寄存器CSR和SSR。
SD協議規定，狀態寄存器CSR是必須的，這個32位寄存器作爲R1的一個域返回給主控制器，
狀態寄存器SSR作爲擴充功能，具體參考SD2.0協議。
3.2.2 bus_ops->remove()
拔出SD卡，其實就是註冊SD卡驅動的反操作，實質就是執行device_del()和device_put()。
static void mmc_sd_remove(struct mmc_host *host)
{
mmc_remove_card(host->card);
host->card = NULL;
}
void mmc_remove_card(struct mmc_card *card)
{
if (mmc_card_present(card))
device_del(&card->dev);
put_device(&card->dev);
}
4. 塊設備
首先，必須知道爲什麼要用到塊設備。在linux下，SD卡通過block塊的方式(以512字節爲最小單位)進行數據傳輸，它必須遵從塊設備架構。在linux塊設備層，I/O調度者通過請求隊列機制負責對塊數據的處理。
SD卡子系統分爲三層，主設備層，協議層和塊設備層。塊設備驅動位於/drivers/mmc/card/block.c，主要完成兩個任務，
-
建立設備節點
-
通過請求隊列機制進行數據傳輸
插入SD卡，註冊驅動成功，那麼在開發板的目錄/dev/block下會出現SD卡的設備節點。 
179爲主設備號，定義於include/linux/major.h #define MMC_BLOCK_MAJOR 179
179:0代表這塊SD卡的設備節點mmcblk0，179:1代表這塊SD卡的第一個分區mmcblk0p1，即主分區，如果有第二個分區，那就是179:2，最多可以有7個分區，即179:1~179:7(定義於block.c alloc_disk(1 << 3);)。不過，SD卡一般只有一個分區。如果有第二塊SD卡插入，將會建立設備節點mmcblk1(179:8)和mmcblk1p1(179:9)。
下面通過對塊設備驅動block.c的分析，看看SD卡是如何在塊設備層建立節點和傳輸數據的。
4.1 數據結構
每個驅動都會有一個數據結構。幸運的是，我們SD卡塊設備驅動的數據結構相對簡單，在mmc_blk_data裏，主要有兩個成員，struct gendisk *disk和struct mmc_queue queue。
1) struct gendisk 是general disk的縮寫，代表個通用的塊設備，其中包括塊設備的主分區結構struct hd_struct part0， 塊設備的行爲函數struct block_device_operations *fops，以及請求隊列struct request_queue *queue等。
2) struct request_queue 存放所有I/O調度的算法。
3) struct request 請求是I/O調度者調度的對象，其中的結構struct bio是整個請求隊列的核心，具體內容請參看LDD3。
4.2 塊設備驅動
首先瀏覽一下源碼，
static int __init mmc_blk_init(void)
{
register_blkdev(MMC_BLOCK_MAJOR, "mmc"); // 註冊主設備號(若註冊成功，/proc/devices的塊設備下會出現mmc)
mmc_register_driver(&mmc_driver);
return 0;
}
static struct mmc_driver mmc_driver = {
.drv = {
.name = "mmcblk",
},
.probe = mmc_blk_probe,
.remove = mmc_blk_remove,
.suspend = mmc_blk_suspend,
.resume = mmc_blk_resume,
};
static int mmc_blk_probe(struct mmc_card *card)
{
struct mmc_blk_data *md;
md = mmc_blk_alloc(card);
mmc_blk_set_blksize(md, card);
mmc_set_drvdata(card, md);
add_disk(md->disk);
return 0;
... ...
}
4.2.1 設備驅動的初始化函數
仍然可以將驅動程序的初始化mmc_blk_probe(struct mmc_card *card)歸納爲以下內容，
- 初始化設備驅動的數據結構mmc_blk_data，並掛載到card->dev.driver_data
-
實現塊備驅動的功能函數struct block_device_operations *fops
-
註冊設備，即註冊kobject，建立sys文件，發送uevent等
- 其他需求，如mmc_blk_set_blksize(md, card);
1) 初始化mmc_blk_data
static struct mmc_blk_data *mmc_blk_alloc(struct mmc_card *card)
{
struct mmc_blk_data *md;
md = kzalloc(sizeof(struct mmc_blk_data), GFP_KERNEL);
md->read_only = mmc_blk_readonly(card);
md->disk = alloc_disk(1 << 3); // 分配了8個可用設備
spin_lock_init(&md->lock);
md->usage = 1;
ret = mmc_init_queue(&md->queue, card, &md->lock);
md->queue.issue_fn = mmc_blk_issue_rq;
md->queue.data = md;
md->disk->major = MMC_BLOCK_MAJOR;
md->disk->first_minor = devidx << MMC_SHIFT;
md->disk->fops = &mmc_bdops;
md->disk->private_data = md;
md->disk->queue = md->queue.queue;
md->disk->driverfs_dev = &card->dev;
blk_queue_logical_block_size(md->queue.queue, 512);
... ...
return md;
}
完成初始化後，通過mmc_set_drvdata(card, md);將數據掛載到card->dev.driver_data下。
2) 功能函數
static const struct block_device_operations mmc_bdops = {
.open = mmc_blk_open,
.release = mmc_blk_release,
.getgeo = mmc_blk_getgeo,
.owner = THIS_MODULE,
};
static int mmc_blk_open(struct block_device *bdev, fmode_t mode)
{
struct mmc_blk_data *md = mmc_blk_get(bdev->bd_disk);
... ...
}
struct block_device {
dev_t bd_dev; /* it's a search key */
struct inode * bd_inode; /* will die */
struct super_block * bd_super;
... ...
};
與字符驅動類似，通過dev_t和inode找到設備。
3) 註冊驅動
void add_disk(struct gendisk *disk)
{
blk_register_region(disk_devt(disk), disk->minors, NULL, exact_match, exact_lock, disk);
register_disk(disk);
blk_register_queue(disk);
... ...
}
blk_register_region()在linux中實現了一種利用哈希表管理設備號的機制。
register_disk()對應alloc_disk()，完成對塊設備的註冊，其實質是通過register_disk()->blkdev_get()->__blkdev_get()->rescan_partitions()->add_partitions()添加分區，建立設備節點。
blk_register_queue()對應blk_init_queue()完成對請求隊列的註冊，其實質是通過elv_register_queue()註冊請求隊列的算法。
關於塊設備更爲具體的代碼分析可參看linux那些事。
4.2.2 請求隊列
mmc_init_queue申請並初始化一個請求隊列，開啓負責處理這個請求隊列的守護進程。
int mmc_init_queue(struct mmc_queue *mq, struct mmc_card *card, spinlock_t *lock)
{
struct mmc_host *host = card->host;
mq->card = card;
mq->queue = blk_init_queue(mmc_request, lock);
mq->queue->queuedata = mq;
mq->req = NULL;
blk_queue_prep_rq(mq->queue, mmc_prep_request); // 註冊mmc_prep_request算法
blk_queue_ordered(mq->queue, QUEUE_ORDERED_DRAIN, NULL); //註冊ordered算法
mq->thread = kthread_run(mmc_queue_thread, mq, "mmcqd");
... ...
}
1) mmc_request
它是處理SD卡通用的申請請求的回調函數，或者說是SD卡申請請求的算法。當CPU處於not busy狀態，會尋找一個請求，並試圖執行它。
/* /drivers/mmc/card/queue.c */
/*
* Generic MMC request handler. This is called for any queue on a
* particular host. When the host is not busy, we look for a request
* on any queue on this host, and attempt to issue it. This may
* not be the queue we were asked to process.
*/
static void mmc_request(struct request_queue *q)
{
struct mmc_queue *mq = q->queuedata;
struct request *req;
if (!mq) {
while ((req = blk_fetch_request(q)) != NULL) { // 尋找來自請求隊列的一個請求req
req->cmd_flags |= REQ_QUIET;
__blk_end_request_all(req, -EIO);
}
return;
}
if (!mq->req)
wake_up_process(mq->thread); // 如果隊列裏沒有請求req，喚醒守護進程
}
這裏我們需要關注這個處理該SD卡請求隊列的算法是何時申請的，也就是何時會去申請請求，何時會去喚醒內核線程。
用到回調函數q->request_fn有三處
-
塊設備驅動註冊請求隊列blk_register_queue()
-
驅動程序出錯，清空請求隊列mmc_cleanup_queue()
-
實現請求隊列機制的blk_fetch_request內部本身
blk_fetch_request()->blk_peek_request()->__elv_next_request()->blk_do_ordered()->...->q->request_fn
我們不必深究所謂的電梯算法，只要知道，它是使數據得以高效通信的一種算法，算法自身決定何時去喚醒守護進程處理請求。
2) blk_init_queue()
如果一個塊設備希望使用一個標準的請求處理步驟，那就必須使用blk_init_queue()。這個函數註冊了q->request_fn(這裏就是mmc_request)，並初始化請求隊列的數據結構struct request_queue。
/*
* are requests on the queue that need to be processed. If the device
* supports plugging, then @rfn may not be called immediately when requests
* are available on the queue, but may be called at some time later instead.
*/
struct request_queue *blk_init_queue(request_fn_proc *rfn, spinlock_t *lock)
{
return blk_init_queue_node(rfn, lock, -1);
}
其中的rfn就是請求隊列的一個算法，即這裏的mmc_request。
struct request_queue *blk_init_queue_node(request_fn_proc *rfn, spinlock_t *lock, int node_id)
{
struct request_queue *q = blk_alloc_queue_node(GFP_KERNEL, node_id);
q->request_fn = rfn;
q->prep_rq_fn = NULL;
q->unplug_fn = generic_unplug_device;
q->queue_flags = QUEUE_FLAG_DEFAULT;
q->queue_lock = lock;
blk_queue_make_request(q, __make_request);
if (!elevator_init(q, NULL)) {
blk_queue_congestion_threshold(q);
return q;
}
... ...
}
3) kthead_run()
注意到mmc_init_queue這個函數的最後，創建並運行一個名爲mmcqd的線程，顧名思意，mmc queue deamon它是一個SD卡的處理請求隊列的守護進程，或者說內核線程，當系統註冊SD卡塊設備驅動時，就通過mmc_init_queue()開啓了這個內核線程。
4) mmc_queue_thread
看看這個內核線程做了些什麼，
static int mmc_queue_thread(void *d)
{
struct mmc_queue *mq = d;
struct request_queue *q = mq->queue;
current->flags |= PF_MEMALLOC;
down(&mq->thread_sem);
do {
struct request *req = NULL;
spin_lock_irq(q->queue_lock);
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
if (!blk_queue_plugged(q))
req = blk_fetch_request(q);
mq->req = req;
spin_unlock_irq(q->queue_lock);
if (!req) {
if (kthread_should_stop()) {
set_current_state(TASK_RUNNING);
break;
}
up(&mq->thread_sem);
schedule();
down(&mq->thread_sem);
continue;
}
set_current_state(TASK_RUNNING);
mq->issue_fn(mq, req);
} while (1);
up(&mq->thread_sem);
return 0;
}
首先，這個守護進程是一個while(1)死循環，如果沒有特殊要求，即kthread_should_stop()指定要把這個內核線程終止掉，那麼它將從系統啓動開始一直負責處理SD卡的請求隊列。
在循環內部，內核線程首先通過set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);設置當前線程爲可打斷的等待線程，進入睡眠狀態，等待其他線程喚醒它，這裏喚醒它的就是處理SD卡請求的mmc_request，當mq->req爲空，即當前沒有請求正在處理，則通過 wake_up_process(mq->thread);喚醒內核線程，接着該線程嘗試從請求隊列裏得到一個請求req，
-> 如果沒有請求，則調用schedule()交出cpu的使用權讓其自由調度，等到系統空閒時，再次得到cpu控制權，並且執行continue;退出當前循環，重新開始新的循環。
-> 如果得到了一個請求，則通過set_current_state(TASK_RUNNING);將該內核線程設置爲當前正在運行的進程，並調用issue_fn()，即mmc_blk_issue_rq，處理這個請求，實現主控制器與SD卡的數據傳輸。
5) issue_fn
驅動初始化函數probe()裏的mmc_blk_alloc()裏註冊了這個回調函數，md->queue.issue_fn =mmc_blk_issue_rq;
這個函數將req裏的成員解析成爲mmc_blk_request裏的指令和數據，即mmc_command和mmc_data，然後通過mmc_wait_for_req()最終實現主控制器與SD卡間的通信。
struct mmc_blk_request {
struct mmc_request mrq;
struct mmc_command cmd;
struct mmc_command stop;
struct mmc_data data;
};
static int mmc_blk_issue_rq(struct mmc_queue *mq, struct request *req)
{
struct mmc_blk_data *md = mq->data;
struct mmc_card *card = md->queue.card;
struct mmc_blk_request brq;
mmc_claim_host(card->host);
do {
brq.mrq.cmd = &brq.cmd;
brq.mrq.data = &brq.data;
brq.cmd.arg = blk_rq_pos(req); // 解析指令的參數
if (!mmc_card_blockaddr(card))
brq.cmd.arg <<= 9;
brq.cmd.flags = MMC_RSP_SPI_R1 | MMC_RSP_R1 | MMC_CMD_ADTC;
brq.data.blksz = 512;
brq.stop.opcode = MMC_STOP_TRANSMISSION;
brq.stop.arg = 0;
brq.stop.flags = MMC_RSP_SPI_R1B | MMC_RSP_R1B | MMC_CMD_AC;
brq.data.blocks = blk_rq_sectors(req); // 解析數據塊大小
if (rq_data_dir(req) == READ) { // 解析傳輸數據方向
brq.cmd.opcode = MMC_READ_MULTIPLE_BLOCK;
brq.data.flags |= MMC_DATA_READ;
} else {
brq.cmd.opcode = MMC_WRITE_MULTIPLE_BLOCK;
brq.data.flags |= MMC_DATA_WRITE;
}
mmc_wait_for_req(card->host, &brq.mrq); // 調用core協議層提供的接口函數，實現數據間通信
... ...
}
mmc_release_host(card->host);
}