Linux SD卡驱动开发(六) —— SD卡启动过程总体分析

一、工作流程

mmc驱动主要文件包括

drivers/mmc/card/block.c
drivers/mmc/card/queue.c
drivers/mmc/core/core.c
drivers/mmc/core/host.c
drivers/mmc/core/

内核启动时，首先执行core/core.c的mmc_init，注册mmc、sd总线，以及一个host class设备。接着执行card/block.c中，申请一个块设备。

二、数据结构：

这里涉及三种总线

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1. platform bus //MMC host controller 作为一种 platform device, 它是需要注册到 platform bus上的
driver/base/platform.c
struct bus_type platform_bus_type = {
.name = "platform",
.dev_attrs = platform_dev_attrs,
.match = platform_match,
.uevent = platform_uevent,
.pm = &platform_dev_pm_ops,
};
2. mmc bus type //在mmc_init()中被创建的.通过调用 mmc_register_bus() 来注册 MMC 总线
drivers\mmc\core\bus.c
static struct bus_type mmc_bus_type = {
.name = "mmc",
.dev_attrs = mmc_dev_attrs,
.match = mmc_bus_match,
.uevent = mmc_bus_uevent,
.probe = mmc_bus_probe,
.remove = mmc_bus_remove,
.shutdown = mmc_bus_shutdown,
.pm = &mmc_bus_pm_ops,
};
3. sdio bus type //在mmc_init()中被创建的.通过调用sdio_register_bus() 来注册 SDIO 总线
drivers\mmc\core\sdio_bus.c
static struct bus_type sdio_bus_type = {
.name = "sdio",
.dev_attrs = sdio_dev_attrs,
.match = sdio_bus_match,
.uevent = sdio_bus_uevent,
.probe = sdio_bus_probe,
.remove = sdio_bus_remove,
.pm = SDIO_PM_OPS_PTR,
};

其中mmc总线操作相关函数，由于mmc卡支持多种总数据线，如SPI、SDIO、8LineMMC而不同的总线的操作控制方式不尽相同，所以通过此结构与相应的总线回调函数相关联。

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//总线操作结构
struct mmc_bus_ops {
void (*remove)(struct mmc_host *);
void (*detect)(struct mmc_host *);
int (*sysfs_add)(struct mmc_host *, struct mmc_card *card);
void (*sysfs_remove)(struct mmc_host *, struct mmc_card *card);
void (*suspend)(struct mmc_host *);
void (*resume)(struct mmc_host *);
};
// mmc卡的总线操作 core/mmc.c
static const struct mmc_bus_ops mmc_ops = {
.remove = mmc_remove,
.detect = mmc_detect,
.sysfs_add = mmc_sysfs_add,
.sysfs_remove = mmc_sysfs_remove,
.suspend = mmc_suspend,
.resume = mmc_resume,
};
// sd卡的总线操作 core/sd.c
static const struct mmc_bus_ops mmc_sd_ops = {
.remove = mmc_sd_remove,
.detect = mmc_sd_detect,
.sysfs_add = mmc_sd_sysfs_add,
.sysfs_remove = mmc_sd_sysfs_remove,
.suspend = mmc_sd_suspend,
.resume = mmc_sd_resume,
};
// sdio的总线操作 core/sdio.c
static const struct mmc_bus_ops mmc_sdio_ops = {
.remove = mmc_sdio_remove,
.detect = mmc_sdio_detect,
};

关于总线操作的函数：

.detect，驱动程序经常需要调用此函数去检测mmc卡的状态，具体实现是发送CMD13命令，并读回响应，如果响应错误，则依次调用.remove、detach_bus来移除卡及释放总线。

三、总体架构

1、kernel启动时，先后执行mmc_init()及mmc_blk_init()，以对mmc设备及mmc块模块进行初始化

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mmc/core/core.c
static int __init mmc_init(void)
workqueue = alloc_ordered_workqueue("kmmcd", 0);//建立了一个工作队列workqueue，这个工作队列的作用主要是用来支持热插拔
ret = mmc_register_bus();//注册一个mmc总线
ret = mmc_register_host_class();//注册了一个 mmc_host 类
ret = sdio_register_bus();//注册了一个 sdio_bus_type
*******
mmc/card/block.c
static int __init mmc_blk_init(void)
res = register_blkdev(MMC_BLOCK_MAJOR, "mmc");//注册一个块设备
res = mmc_register_driver(&mmc_driver);//注册一个mmc设备驱动
static struct mmc_driver mmc_driver =
.probe = mmc_blk_probe,
static int mmc_blk_probe(struct mmc_card *card)
mmc_set_bus_resume_policy(card->host, 1);//*host 该指针指向一个mmc主机实例，块设备中的读写操作就是调用这个mmc主机的操作函数host->ops->request来实现对实际硬件的操作。

2、core部分会做两件事

a -- 取得总线

b -- 检查总线操作结构指针bus_ops，如果为空，则重新利用各总线对端口进行扫描，检测顺序依次为：SDIO、Normal SD、MMC。当检测到相应的卡类型后，就使用mmc_attach_bus()把相对应的总线操作与host连接起来

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void mmc_attach_bus(struct mmc_host *host, const struct mmc_bus_ops *ops)
{
...
host->bus_ops = ops;
...
}

3、然后在挂载mmc设备驱动时，执行驱动程序中的xx_mmc_probe()，检测host设备中挂载的sd设备

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kernel\arch\arm\configs\msm9625_defconfig
CONFIG_MMC_MSM=y
kernel\drivers\mmc\host\Makefile
obj-$(CONFIG_MMC_MSM) += msm_sdcc.o
msm_sdcc.c (drivers\mmc\host)
//系统初始化时扫描 platform 总线上是否有名为该SD主控制器名字"msm_sdcc"的设备，如果有，驱动程序将主控制器挂载到 platform 总线上，并注册该驱动程序
static int __init msmsdcc_init(void)
platform_driver_register(&msmsdcc_driver); //注册 platform driver
static struct platform_driver msmsdcc_driver = {
.probe = msmsdcc_probe,
.remove = msmsdcc_remove,
.driver = {
.name = "msm_sdcc",
.pm = &msmsdcc_dev_pm_ops,
.of_match_table = msmsdcc_dt_match,
},
};
//整个设备驱动的 probe()函数，其本质就是是为设备建立起数据结构并对其赋初值
//msmsdcc_probe 所有赋值中，我们重点关注从 platform_device *pdev里得到的数据，即设备树里的数据
//platform_device *pdev是在系统初始化的时候扫描 platform 总线发现SD主控制器后所得到的数据
static int msmsdcc_probe(struct platform_device *pdev)
{
//初始化设备的数据结构
if (pdev->dev.of_node) {
plat = msmsdcc_populate_pdata(&pdev->dev); //获取设备树信息
of_property_read_u32((&pdev->dev)->of_node,"cell-index", &pdev->id);
} else {
plat = pdev->dev.platform_data;
}
//为主设备控制器建立数据结构，建立kobject，并初始化等待队列，工作队列，以及一些控制器的配置
mmc = mmc_alloc_host(sizeof(struct msmsdcc_host), &pdev->dev); ---- 1
//实现设备驱动的功能函数，如mmc->ops = &pxamci_ops;
mmc->ops = &msmsdcc_ops;
//申请中断函数 request_irq()
ret = request_irq(core_irqres->start, msmsdcc_irq, IRQF_SHARED,DRIVER_NAME " (cmd)", host);
//注册设备，即注册kobject，建立sys文件，发送uevent等
mmc_add_host(mmc); ---- 2
//其他需求，如在/proc/driver下建立用户交互文件等
ret = device_create_file(&pdev->dev, &host->auto_cmd21_attr);
}

4、此时probe函数会创建一个host设备，然后开启一个延时任务mmc_rescan()。

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1：
core/host.c
//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
struct mmc_host *mmc_alloc_host(int extra, struct device *dev)----创建一个 mmc_host 和 mmc_spi_host ，且mmc_host的最后一个成员指针private指向mmc_spi_host
//建立数据结构
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);
//初始化等待队列，工作队列
init_waitqueue_head(&host->wq);
INIT_DELAYED_WORK(&host->detect, mmc_rescan); //建立了一个工作队列任务 structdelayed_work detect。工作队列任务执行的函数为mmc_rescan
//配置控制器
host->max_segs = 1;
host->max_seg_size = PAGE_CACHE_SIZE;
return host;

5、驱动挂载成功后，mmc_rescan()函数被执行，然后对卡进行初始化（步骤后面详细讲述）

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core/core.c
//mmc_rescan 函数是需要重点关注的,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
void mmc_rescan(struct work_struct *work)
if (host->bus_ops && host->bus_ops->detect && !host->bus_dead && !(host->caps & MMC_CAP_NONREMOVABLE)) //存在热插拔卡，不包括emmc，调用探测函数
host->bus_ops->detect(host);
mmc_bus_put(host); //减少引用技术，就释放
mmc_bus_get(host); //增加bus引用计数
if (host->bus_ops != NULL) {
mmc_bus_put(host); //如果卡仍然存在，减少引用计数，不必探测了
goto out;
}
if (host->ops->get_cd && host->ops->get_cd(host) == 0) //有卡，退出
goto out;
mmc_claim_host(host); //用于检测host是否被占用，占用则退出，否则标记成占用
if (!mmc_rescan_try_freq(host, host->f_min))

初始化卡接以下流程初始化：

a、发送CMD0使卡进入IDLE状态
b、发送CMD8，检查卡是否SD2.0。SD1.1是不支持CMD8的，因此在SD2.0 Spec中提出了先发送CMD8，如响应为无效命令，则卡为SD1.1，否则就是SD2.0（请参考SD2.0 Spec）。
c、发送CMD5读取OCR寄存器。
d、发送ACMD55、CMD41，使卡进入工作状态。MMC卡并不支持ACMD55、CMD41，如果这步通过了，则证明这张卡是SD卡。
e、如果d步骤错误，则发送CMD1判断卡是否为MMC。SD卡不支持CMD1，而MMC卡支持，这就是SD和MMC类型的判断依据。
f、如果ACMD41和CMD1都不能通过，那这张卡恐怕就是无效卡了，初始化失败。

假如扫描到总线上挂有有效的设备，就调用相对应的函数把设备装到系统中，mmc_attach_sdio()、mmc_attach_sd()、mmc_attach_mmc()这三个函数分别是装载sdio设备，sd卡和mmc卡的。

在 sd卡中，驱动循环发送ACMD41、CMD55给卡，读取OCR寄存器，成功后，依次发送CMD2(读CID)、CMD3(得到RCA)、CMD9(读 CSD)、CMD7(选择卡)。后面还有几个命令分别是ACMD41&CMD51，使用CMD6切换一些功能，如切换到高速模式。

经过上述步骤，已经确定当前插入的卡是一张有效、可识别的存储卡。然后调用mmc_add_card()把存储卡加到系统中。正式与系统驱动连接在一起。

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static int mmc_rescan_try_freq(struct mmc_host *host, unsigned freq)
host->f_init = freq; //设置某一个时钟频率
mmc_power_up(host); //与 mmc_power_off 类似，不过设置了启动时需要的 ios
mmc_go_idle(host); ----1a //CMD0 ,SD卡从 inactive 到 idle
mmc_send_if_cond(host, host->ocr_avail);//检测SD卡是否支持SD2.0
if (!mmc_attach_sd(host)) ----1b //然后对mmc或者sd发送一些命令进行探测,这里以 sd 为例
1a:
int mmc_go_idle(struct mmc_host *host)
struct mmc_command cmd = {0};
cmd.opcode = MMC_GO_IDLE_STATE; //即CMD0
cmd.arg = 0; //此命令无参数
err = mmc_wait_for_cmd(host, &cmd, 0)
int mmc_wait_for_cmd(struct mmc_host *host, struct mmc_command *cmd, int retries)
memset(cmd->resp, 0, sizeof(cmd->resp)); //调用了 mmc_start_request,
cmd->retries = retries;
mrq.cmd = cmd;
mmc_wait_for_req(host, &mrq);
void mmc_wait_for_req(struct mmc_host *host, struct mmc_request *mrq) ----重要函数
__mmc_start_req(host, mrq);
static int __mmc_start_req(struct mmc_host *host, struct mmc_request *mrq)
mmc_start_request(host, mrq);
static void mmc_start_request(struct mmc_host *host, struct mmc_request *mrq)
host->ops->request(host, mrq); //即 msmsdcc_request， MMC 核心与核HOST 层握手了
1b:
core/mmc.c
int mmc_attach_sd(struct mmc_host *host) //完成匹配，和初始化卡的功能
err = mmc_send_app_op_cond(host, 0, &ocr); ----1b1 //检测是否是支持SD卡
host->ocr = mmc_select_voltage(host, ocr); //设置MMC电压
err = mmc_init_card(host, host->ocr, NULL); //对mmc卡进行初始化，主要是读取mmc卡里的一些寄存器信息，且对这些寄存器的值进行设置
err = mmc_sd_init_card(host, host->ocr, NULL); ----1b2
err = mmc_add_card(host->card); ----1b3 //调用 mmc_add_card 来把 mmc_card 挂载到 mmc_bus_type 总线去
1b1:
int mmc_send_app_op_cond(struct mmc_host *host, u32 ocr, u32 *rocr)
cmd.opcode = SD_APP_OP_COND; //ACMD41,获取 SDcard 的允许电压范围值,保存在 ocr 中. 所有发送它之前需要发送 CMD_55 命令。执行完后 card 状态变为 READY
1b2:
static int mmc_sd_init_card(struct mmc_host *host, u32 ocr,struct mmc_card *oldcard)
err = mmc_sd_get_cid(host, ocr, cid, &rocr); //发送 CMD2 ，获取卡的身份信息，进入到身份状态
card = mmc_alloc_card(host, &sd_type); //分配一张 SD 类型的 card 结构
err = mmc_send_relative_addr(host, &card->rca); //获取卡的相对地址，注意一前卡和主机通信都采用默认地址，现在有了自己的地址了，进入到 stand_by 状态
err = mmc_sd_get_csd(host, card); ----mmc_send_csd(card, card->raw_csd);//CMD9, 获取 CSD 寄存器的信息，包括 block 长度，卡容量等信息
err = mmc_select_card(card); //发送 CMD7, 选中目前 RADD 地址上的卡，任何时候总线上只有一张卡被选中，进入了传输状态
err = mmc_sd_setup_card(host, card, oldcard != NULL);
int mmc_sd_setup_card(struct mmc_host *host, struct mmc_card *card,bool reinit)
mmc_app_send_scr(card, card->raw_scr); //发送命令 ACMD51 获取 SRC 寄存器的内容，进入到 SENDING-DATA 状态
if (host->ops->get_ro(host) > 0 ) // get_ro(host) 即是 msmsdcc_get_ro
mmc_card_set_readonly(card); //是否写保护，如果是的，将 card 状态设置为只读状态
1b3:
core/bus.c
int mmc_add_card(struct mmc_card *card) // /sys/devices/msm_sdcc.2/mmc_host/mmc0
ret = device_add(&card->dev);
drivers/base/core.c
int device_add(struct device *dev)
dev_set_name(dev, "%s%u", dev->bus->dev_name, dev->id); //
bus_probe_device(dev);
void bus_probe_device(struct device *dev)
if (bus->p->drivers_autoprobe)
ret = device_attach(dev); //这样，在总线 mmc_bus_type 中就有了 mmc 设备 mmc_card 了
***********
2:
//完成kobject的注册，并调用 mmc_rescan，目的在于在系统初始化的时候就扫描SD总线查看是否存在SD卡
int mmc_add_host(struct mmc_host *host)
err = device_add(&host->class_dev);//将设备注册进linux设备模型，最终的结果就是在 sys/bus/platform/devices 目录下能见到 mmc 设备节点
mmc_start_host(host);
void mmc_start_host(struct mmc_host *host)
mmc_power_off(host); ----2a
mmc_detect_change(host, 0); ----2b
2a:
void mmc_power_off(struct mmc_host *host)
host->ios.power_mode = MMC_POWER_OFF; //对 ios 进行了设置
...
mmc_set_ios(host);
void mmc_set_ios(struct mmc_host *host)
host->ops->set_ios(host, ios); // set_ios 实际上就是 mmc_host_ops 的 .set_ios = msmsdcc_set_ios,
2b:
void mmc_detect_change(struct mmc_host *host, unsigned long delay)
mmc_schedule_delayed_work(&host->detect, delay); //实际上就是调用我们前面说的延时函数 mmc_rescan

6、卡设备加到系统中后，通知mmc块设备驱动。块设备驱动此时调用probe函数，即mmc_blk_probe()函数，mmc_blk_probe()首先分配一个新的mmc_blk_data结构变量，然后调用mmc_init_queue，初始化blk队列。然后建立一个线程 mmc_queue_thread()。

7、然后就可以进行传输命令和数据了

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struct mmc_host_ops {
//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
void (*request)(struct mmc_host *host, struct mmc_request *req);
}
static const struct mmc_host_ops msmsdcc_ops = {
.enable = msmsdcc_enable,
.disable = msmsdcc_disable,
.pre_req = msmsdcc_pre_req,
.post_req = msmsdcc_post_req,
.request = msmsdcc_request,
.set_ios = msmsdcc_set_ios,
.get_ro = msmsdcc_get_ro,
.enable_sdio_irq = msmsdcc_enable_sdio_irq,
.start_signal_voltage_switch = msmsdcc_switch_io_voltage,
.execute_tuning = msmsdcc_execute_tuning,
.hw_reset = msmsdcc_hw_reset,
.stop_request = msmsdcc_stop_request,
.get_xfer_remain = msmsdcc_get_xfer_remain,
.notify_load = msmsdcc_notify_load,
};
/*这个函数实现了命令和数据的发送和接收，
当 CORE 部分需要发送命令或者传输数据时，都会调用这个函数，并传递 mrq 请求*/
static void msmsdcc_request(struct mmc_host *mmc, struct mmc_request *mrq)
mmc_request_done(mmc, mrq); // 如果卡不存在，就终止请求
msmsdcc_request_start(host, mrq);
static void msmsdcc_request_start (struct msmsdcc_host *host, struct mmc_request *mrq)
if ((mrq->data->flags & MMC_DATA_READ) ||host->curr.use_wr_data_pend) //判断发送数据还是命令
msmsdcc_start_data(host, mrq->data,mrq->sbc ? mrq->sbc : mrq->cmd,0); //发送数据
else
msmsdcc_start_command(host,mrq->sbc ? mrq->sbc : mrq->cmd,0); //发送命令
static void msmsdcc_start_data(struct msmsdcc_host *host, struct mmc_data *data,struct mmc_command *cmd, u32 c)
//对某些寄存器进行设置, 使能某些中断，如 pio_irqmask
...
if (is_dma_mode(host) && (datactrl & MCI_DPSM_DMAENABLE)) //采用 DMA 进行数据传输还是采用 FIFO 进行数据传输
msmsdcc_start_command_deferred(host, cmd, &c); //启动了数据传输模式
else
msmsdcc_start_command(host, cmd, c)
static void msmsdcc_start_command(struct msmsdcc_host *host, struct mmc_command *cmd, u32 c)
{
msmsdcc_start_command_deferred(host, cmd, &c);
msmsdcc_start_command_exec(host, cmd->arg, c);
}
static void msmsdcc_start_command_deferred(struct msmsdcc_host *host,struct mmc_command *cmd, u32 *c)
cmd->opcode ----对应SD卡命令，如 CMD0:复位SD 卡

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