Linux SD/MMC/SDIO驱动分析

一、SD/MMC/SDIO概念区分

SD（SecureDigital）与MMC（MultimediaCard）

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：[http://zh.wikipedia.org/wiki/Secure_Digital]。

SDIO（SecureDigital I/O）

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。

Secure digital I/Ocard，pin out

SD的MMCMode

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

参考网站：https://www.sdcard.org/developers/overview/capacity/

http://www.interfacebus.com/Secure_Digital_IO_Card_Pinout.html

二、MMC子系统介绍

MMC代码分布

MMC子系统代码主要在drivers/mmc目录下，共有三个目录：

Card：存放闪存卡(块设备)的相关驱动，如MMC/SD卡设备驱动，SDIOUART；

Host：针对不同主机端的SDHC、MMC控制器的驱动，这部分需要由驱动工程师来完成；

Core：整个MMC的核心层，这部分完成不同协议和规范的实现，为host层和设备驱动层提供接口函数。

MMC子系统框架

Linux MMC子系统主要分成三个部分：

　　MMC核心层：完成不同协议和规范的实现，为host层和设备驱动层提供接口函数。MMC核心层由三个部分组成：MMC，SD和SDIO，分别为三类设备驱动提供接口函数；

　　Host 驱动层：针对不同主机端的SDHC、MMC控制器的驱动；

　　Client 驱动层：针对不同客户端的设备驱动程序。如SD卡、T-flash卡、SDIO接口的GPS和wi-fi等设备驱动。

三、SD 总线协议

SD总线通信是基于指令和数据比特流，起始位开始和停止位结束。SD总线通信有三个元素：

　　Command：由host发送到卡设备，使用CMD线发送；

　　Response：从card端发送到host端，作为对前一个CMD的相应，通过CMD线发送；

　　Data：即能从host传输到card，也能从card传输到host，通过data线传输。

Commands

以下是四种用于控制卡设备的指令类型，每个command都是固定的48位长度：

　　1、broadcast commands(bc)， no response：广播类型的指令，不需要有响应;

　　2、broadcast commands with response(bcr)：广播类型的指令且需要响应;

　　3、addressed(point-to-point) commands(ac)：由HOST发送到指定的卡设备，没有数据的传输;

　　4、address(point-to-point) data transfercommands(adtc)：由HOST发送到指定的卡设备且伴随有数据传输。

指令格式：

Card register

几个主要的寄存器：OCR,CID,CSD,RCA和SCR。

　　Operation condition register(OCR)：32位的OCR包含卡设备支持的工作电压表；

　　Card identification number register (CID)：包含用于在卡识别阶段的卡信息，包括制造商ID，产品名等；

　　Card specific data register(CSD)：CSD寄存器提供了如何访问卡设备的信息，包括定义了数据格式，错误校验类型，最大访问次数，数据传输率等；

　　Relative card address register(RCA)：存放在卡识别阶段分配的相对卡地址，缺省相对卡地址为0000h；

　　SD card configuration register(SCR)：SCR是一个配置寄存器，用于配置SD memory card的特殊功能。

Response

所有的response都通过CMD线发送到host端，R4和R5响应类型是SDIO中特有的：

　　1、R1(normal response command)：用来响应常用指令；

　　2、R2(CID,CSD register)：用来响应CMD2和CMD10或CMD9，并把CID或CSD寄存器作为响应数据；

　　3、R3(OCR register):用来响应ACMD41指令，并把OCR寄存器作为响应数据；

　　4、R6(published RCA response)：分配相对卡地址的响应；

　　5、R7(card interface condition)：响应CMD8，返回卡支持的电压信息；

　　6、R4(CMD5)：响应CMD5，并把OCR寄存器作为响应数据；

　　7、R5(CMD52)：CMD52是一个读写寄存器的指令，R5用于CMD52的响应；

Response 格式：

***详情请参考spec***

四、SD初始化流程

当host上电后，使所有的卡设备处于卡识别模式，完成设置有效操作电压范围，卡识别和请求卡相对地址等操作。

　　1、发送指令CMD0使卡设备处于idle状态；

　　2、发送指令CMD8，如果卡设备有response，说明此卡为SD2.0以上；

　　3、发送指令CMD55 ACMD41，该指令是用来探测卡设备的工作电压是否符合host端的要求；

在发送ACMD41这类指令之前需要先发送CMD55指令，在SDIO中ACMD41指令被CMD5替代。

　　4、发送指令CMD11转换工作电压到1.8V；

　　5、发送指令CMD2获取CIA；

　　6、发送指令CMD3获取RCA(relative card address)

SD初始化分析

系统上电时，SDI控制器会去扫描总线上的所有设备，然后对挂在总线上卡设备进行初始化。进行扫描和初始化工作都是由mmc_scan函数来完成，以下是Linux驱动中初始化流程图(感谢同事Linkin的图)。

SDIO、SD和MMC这三者的初始化流程稍有不同，是向下兼容的。

五、SD卡调试关键点：

　　1. 上电时要延时足够长的时间给SD卡一个准备过程，在我的程序里是5秒，根据不同的卡设置不同的延时时间。SD卡初始化第一步在发送CMD命令之前，在片选有效的情况下首先要发送至少74个时钟，否则将有可能出现SD卡不能初始化的问题。

　　2.SD卡发送复位命令CMD0后，要发送版本查询命令CMD8，返回状态一般分两种，若返回0x01表示此SD卡接受CMD8,也就是说此SD卡支持版本2；若返回0x05则表示此SD卡支持版本1。因为不同版本的SD卡操作要求有不一样的地方，所以务必查询SD卡的版本号，否则也会出现SD卡无法正常工作的问题。

　　3. 理论上要求发送CMD58获得SD卡电压参数，但实际过程中由于事先都知道了SD卡的工作电压，因此可省略这一步简化程序。协议书上也建议尽量不要用这个命令。

　　4.SD卡读写超时时间要按照协议说明书书上的给定值(读超时：100ms；写超时：250ms)，这个值要在程序中准确计算出来，否则将会出现不能正常读写数据的问题。我自己定义了一个计算公式：超时时间=(8/clk)*arg。

　　5.2GB以内的SD卡(标准卡)和2GB以上的SD卡(大容量卡)在地址访问形式上不同，这一点尤其要注意，否则将会出现无法读写数据的问题。如标准卡在读写操作时，对读或写命令令牌当中的地址域符初值0x10，表示对第16个字节以后的地址单元进行操作(前提是此SD卡支持偏移读写操作)，而对大容量卡读或写命令令牌当中的地址域符初值0x10时，则表示对第16块进行读写操作，而且大容量卡只支持块读写操作，块大小固定为512字节，对其进行字节操作将会出错。

　　6. 对某一块要进行写操作时最好先执行擦出命令，这样写入的速度就能大大提高。进行擦除操作时不管是标准卡还是大容量卡都按块操作执行，也就是一次擦除至少512字节。

　　7. 对标准卡进行字节操作时，起始和终止必须在一个物理扇区内，否则将不能进行读写操作。实际操作过程中建议用块操作以提高效率。不管是标准卡还是大容量卡一个读写命令只能对一个块进行操作，不允许跨物理层地址操作。

　　8. 在写数据块前要先写入若干个dummy data字节，写完一个块数据时，主机要监测MISO数据线，如果从机处于忙状态这根数据线会保持低电平，这样主机就可以根据这根数据线的状态以决定是否发送下一个命令，在从机没有释放MISO数据线之前，主机绝对不能执行其他命令，否则将会导致写入的数据出错，而且从机也不会响应主机的命令。

　　9. 在SPI模式下，CRC校验是被忽略的，但依然要求主从机发送CRC码，只是数值可以是任意值，一般主机的CRC码通常设为0x00或0xFF。

　　读多块操作和写多块操作的传输停止形式不一样，读多块操作时用用命令 CMD12 终止传输，而写多块操作时用 Stop Tran Token( 停止传输令牌，值为 0xFD) 终止传输。

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1、初始化步骤：
　　（1） 延时至少 74clock，等待SD卡内部操作完成，在MMC协议中有明确说明。
　　（2） CS低电平选中SD卡。
　　（3） 发送 CMD0 ，需要返回 0x01 ，进入 Idle 状态
　　（4） 为了区别SD卡是2.0还是1.0，或是MMC卡，这里根据协议向上兼容的原理，首先发送只有SD2.0才有的命令CMD8，如果CMD8返回无错误，则初步判断为2.0卡，进一步发送命令循环发送 CMD55 ACMD41 ，直到返回 0x00 ，确定SD2.0卡初始化成功，进入Ready 状态，再发送CMD58命令来判断是HCSD还是SCSD，到此SD2.0卡初始化成功 。如果CMD8返回错误则进一步判断为1.0卡还是MMC卡，循环发送CMD55 ACMD41 ，返回无错误，则为SD1.0卡，到此SD1.0卡初始成功，如果在一定的循环次数下，返回为错误，则进一步发送CMD1进行初始化，如果返回无错误，则确定为MMC卡，如果在一定的次数下，返回为错误，则不能识别该卡，初始结束。
　　（5）CS拉高。
2、读步骤：
　　（1） 发送 CMD17 （单块）或 CMD18 （多块）读命令，返回 0x00
　　（2） 接收数据开始令牌 0xfe （或 0xfc ） 正式数据 512Bytes CRC 校验 2Bytes, 默认正式传输的数据长度是 512Bytes ，可用 CMD16 设置块长度。
3、 写步骤：
　　（1） 发送 CMD24 （单块）或 CMD25 （多块）写命令，返回 0x00
　　（2） 发送数据开始令牌 0xfe （或 0xfc ） 正式数据 512Bytes CRC 校验 2Bytes
4、 擦除步骤：
　　（1） 发送 CMD32 ，跟一个参数来指定首个要擦除的起始地址（ SD 手册上说是块号）
　　（2） 发送 CMD33, ，指定最后的地址
　　（3） 发送 CMD38 ，擦除指定区间的内容
　　此 3 步顺序不能颠倒。

六、SD卡的命令格式及解析

1.SD卡命令组成

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，如CMD39为100111即16进制0x27，那么完整的CMD39第一字节为01100111，即0x27 0x40)

　　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

2.SD卡的命令

SD卡命令共分为12类，分别为class0到class11，不同的SDd卡，主控根据其功能，支持不同的命令集，如下:

　　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

　　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 .

　　Class4(写卡命令集) :

　　　　CMD24:写单块.

　　　　CMD25:写多块.

　　　　CMD27:写CSD寄存器 .

　　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.

　　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.有关sd卡驱动和fat fs的实现用了3个文件来实现。

sdboot.c为sd的驱动（可理解为pdd）层，主要实现一些对sd控制器的配置以及一些基本sd命令的实现和对sd 卡的操作。

sdmmc.c实现了从sd卡读取nk并跳到内存去运行的代码（基本可以理解为sd驱动的mdd层）。

sdfat.c文件就是实现fat fs的。mdd层通过fatfs来对pdd层操作以实现读取文件。

在整个过程中遇到了很多问题，现在列举如下：

　　1）sd卡初始化问题

　　 配置gpio有关sd的功能：SDCMD, SDDAT[3:0]。

　　使能CLKCON中的SDI位。

　　时钟以及计算公式：SDIPRE = PCLK/(CLK)-1;INICLK=300000；SDCLK=24000000； MMCCLK=15000000

　　cmd0-cmd55-cmd41-cmd2-cmd3-cmd7-cmd6-cmd17

　　2）对sd卡操作问题

　　SD卡包括：一个标识寄存器CID，一个相应地址寄存器RCA，一个其他参数寄存器CSD。

　　 对sd卡的操作是驱动通过sd controller来发相应的命令以达到读写等操作的：发送命令通过SDICmdCon[7：0]的除了开始2bit：CmdIndex放置要发送的命令号；SDICmdCon[8]开始发送命令来完成的。

　　检测卡的插入，直接用中断引脚的电平来判断。

　　判断插入的卡是否是sd卡，用命令cmd55和cmd41，因为mmc卡对cmd55不做回应。

　　命令9 就是获取sd卡中csd寄存器的值的，该值包括很多sd卡的信息，其中就有sd卡的容量。这个值在sd卡接收到cmd9之后会以response的形式存放在sd控制器的SDI Response Register[0，1，2，3]中。在执行cmd9，cmd10等这样的命令的时候，卡的状态应该是不选中的，或直接在执行它们之前发送 cmd7（0）不选中卡，不然的话会timeout。

　　用cmd17 来读取单个block的数据，该命令要带地址参数（该参数通过cmd3命令来获取），然后根据SDIDSTA和SDIFSTA状态值来从sd 控制器的SDIDAT寄存器中读出要读的数据。该命令与cmd9相反，在执行它之前要选中卡。读完一个block之后要做一些善后工作，为下次读取做好准备，不然的话checkcmdend就要一直循环了。因为用的是每次都读一个block，并地址要以block对齐，这样就要考虑要读取的地址是否是 block对齐的，长度是否够一个block。

　　SDIDCON这个数据控制寄存器也很重要，一些对数据的操作形式就是在这里设置的。

　　3）fat文件系统问题

　　根据MBR找到分区表，根据分区表找到该分区MBR[446B 4个分区表（每个16B） 2B结束符）

　　分区表中的第9-12字节为该分区的启始地址（单位没sector），第13-16字节为分区的长度（单位也是sector）

六、实例

一、概述

　　最近在研究WIFI驱动，驱动模块为broamd4330，基于SDIO接口，所以趁机研究了一下内核中对于SDIO设备的注册。

　　（我使用的linux内核版本为3.2.0 硬件为samsung 4412）

　　在介绍内核之前，有必要先了解一下MMC SD SDIO三种卡，从发展历程来看，是先有MMC卡，后来有SD卡，这两种都是纯粹的存储卡，而SDIO是什么呢，从字面意思理解，应该是SD IO，也就是既有存储功能，又有IO控制功能，不过也有纯IO功能的SDIO设备（本人用到的WIFI模块就是这种）。并且，这三种卡可以使用同一个插槽，系统还能正确的识别！！，可能是由于历史原因，在开始有Linux的时候，还只存在mmc卡（不存在SD和SDIO卡），所以在linux系统里面关于这三种卡的名称统统用“mmc“来命名。

下面来看一下CPU与WIFI模块的物理连接图

从图上可以看出，我们的WIFI模块接的是CPU上的mmc3，数据线，时钟线以及命令线都一一对应。

　　当然在CPU一端，对于mmc3模块，还有一个很重要的引脚--“xmmc3CDn”脚，CPU就是根据该引脚的电平高低来判断mmc3模块上是否有卡接入，如果电平为低，表示有卡，如果为高，表示无卡，笔者这里将该引脚固定拉低。

　　同时在WIFI模块一端，也有一个很重要的引脚--“WL_SDIO_SPI_HSCI_SEL”引脚 ，它是用来选择模块是工作在SD模式（低电平），还是SPI模式（高电平），笔者这里也将该引脚固定拉低。

　　好了，简单的介绍了一些概念以及硬件后，还是要回归到程序上，从大的方面来讲，MMC/SD/SDIO的驱动程序主要分为两大块，主设备驱动和从设备驱动。对于上面的例子来说，CPU上的MMC3模块就是主设备，而WIFI模块就是从设备。该系列的博文就是分析MMC主设备在内核中的注册，以及对于同一个mmc插槽，系统是如何区分出MMC SD 以及SDIO设备的。

二、host注册过程

　　上面说到了MMC/SD/SDIO（以下简称MMC）的驱动从大的方面来说分为主设备驱动和从设备驱动，那本文就来详细的讲述主设备驱动注册的过程。

　　MMC主设备（也就是host）指的是集成于CPU内部的MMC controller，笔者用的是4412芯片，从datasheet可以看出，里面集成了四个MMC controller,分别是mmc0,mmc1,mmc2,mmc3。 并且从上一篇文章我们知道，WIFI模块是接在mmc3 这个host上面。

　　在linux系统中，将每个host设备封装成platform_device来逐一进行注册。

　　对于笔者所使用的内核（3.2.0版本）来说，每一个host设备所对应的platform_device文件位于目录（$KERNEL_SOURCE）/arch/arm/plat-samsung下，分别为dev-hsmmc.c，dev-hsmmc1.c，dev-hsmmc2.c，dev-hsmmc3.c，为了与实际WIFI模块对应，我们重点进入dev-hsmmc3.c文件看一看：

　　从上图可以看出，该文件里面定义了一个名为s3c_device_hsmmc3的platform_device，但是定义好了的platform_device还需要有一个注册的过程，该过程就发生在文件（$KERNEL_SOURCE）/arch/arm/mach-exynos/mach-$(BOARD).c中，其中有如下的一个函数调用：

　　它的行为就是将数组skd4x12_devices里面的每一个platform_device项一一注册进系统，并且这个数组里面就包含了上面所定义的s3c_device_hsmmc3：

　　所以总结来说，系统化在初始化的时候，就已经将s3c_device_hsmmc3（也就是那个host mmc3）注册进了platform总线（其他的mmc0,mmc1,mmc2都是一个道理）。

　　当然，对于熟悉platform机制的朋友来说，此时仅仅只是注册了platform_device ，而对应的platform_driver还没有注册。

　　下面就来说说这个platform_driver的注册，它是在$(KERNEL_SOURCE)/drivers/mmc/host目录下的sdhci-s3c.c文件中进行的，该文件中有如下的一个注册函数调用：

　　其中的参数sdhci_s3c_driver就是上面所说的platform_driver，它也是定义在sdhci-s3c.c文件中，来看一下：

　　在对sdhci_s3c_driver进行注册的过程中，系统会根据sdhci_s3c_driver-