分类: LINUX
2018-09-15 14:42:51
原文地址:linux设备驱动那点事儿之SD卡驱动理论篇 作者:andyluo324324
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SDIO
SDIO: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MCI
MCI: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(Card Status)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2 OCR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3 CID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4 CSD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0x27,那么完整的CMD39第一字节为01100111,即0x27+0x40)。
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 bits
class7: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0x0000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. struct mmc_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.struct mmc_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。
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.struct mmc_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.struct mmc_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.struct mmc_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_add
mmc_bus_match(core/bus.c)
mmc_bus_probe(core/bus.c) mmc_blk_probe(card/block.c)
alloc_disk/add_disk
4.4.2.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