rt-thread SDIO驱动框架分析之SD卡驱动

文章目录

rt-thread SDIO驱动框架分析之SD卡驱动
- 1. 前言
- 2. SDIO通用驱动框架介绍
- 3. 文件架构分析
- 4. SDIO设备驱动分析
- 5. SDIO设备驱动架构分析
- 6. 调试记录
- 7. 总结

1. 前言

RT-Thread是一款国产化的嵌入式操作系统，目前在嵌入式领域得到广泛应用，其强大的扩展功能以及通用的外设驱动框架备受大家追捧。

关于基本的外设驱动，其官网上基本也都有部分描述，但是关于SDIO设备驱动目前为止还没有相关文档说明，因此本文笔者将根据自己的调试使用经验，与大家分享下rtthread的通用SDIO设备驱动的实现。

RT-Thread github开源地址：https://github.com/RT-Thread/rt-thread

本文基于代码仓库 rt-thread/bsp/stm32/stm32f103-fire-arbitrary 分析代码

分支：main

commit：6808f48bdcf914f03ac757cc19b264a5d0db56de

说明：main分支会有不断更新，但是SDIO驱动框架目前应该不会有大变更

硬件介绍：

控制器：STM32 基于手上为数不多的野火开发板吧

SD卡：本次采用的并非SD卡，而是创世CS家的一颗SD Nand， CSNP4GCR01-AMW，有幸申请到了一颗样片

这里多说几句，SD nand使用起来和SD卡完全一样，而且SD Nand相比SD卡感觉好用太多，贴片LGA-8封装，和SPI flash 差不多，完美的解决了SD卡松动导致系统不稳定的问题，而且容量又大，个人感觉以后必定是嵌入式存储应用上的主流（除了价格贵点啥都好，哈哈）想要样片试试水的可以去找深圳雷龙公司官网申请下

2. SDIO通用驱动框架介绍

首先来介绍下 SDIO 通用驱动框架。

RT-Thread 区别于其他操作系统，如FreeRTOS，的一大重要特征是，RT-Thread 中引入了设备驱动框架，并且针对绝大多数外设基本上都已完成对应的设备驱动框架编写，所谓的设备驱动框架，也就是我们所说的建立在应用层与底层驱动层之间的中间件

如下图所示：

应用层：完成业务应用，调用通用接口操作设备驱动层
设备驱动框架层：完成外设通用驱动框架设计，脱离具体的芯片，将驱动中相同部分，如针对SPI，关于SPI的完整读写逻辑等抽离出来
设备驱动层：完成对应芯片的外设驱动程序编写，实现设备驱动框架层的具体接口

对于SDIO外设亦是如此：

在设备驱动框架层中，实现SD卡、SDIO卡、MMC卡的通用外设驱动逻辑，如卡的识别、卡的模块切换、卡的读写操作等，这些都是通用的，遵循SD标准协议；
在设备驱动层中，根据对应的硬件，完成具体芯片的SDIO外设配置，并实现设备驱动框架层所需要实现的具体接口，如发送CMD命令等。
在应用层实现具体的应用，应用层与驱动层解耦

通过这种方式，这样便可以轻松的做到：

需要驱动具体的SD、SDIO、MMC时，根据具体的芯片实现对应的SDIO驱动接口即可
应用层可直接移植，如出现方案芯片替代时，只需完成设备驱动层适配即可

这也就是RT-Thread让众多开发者疯狂追捧的重大原因了，接下来，我们将具体分析关于SD卡的具体框架层实现，关于SDIO卡、MMC卡，由于使用不多，本文不做深入分析。

3. 文件架构分析

首先我们先来看下SDIO驱动框架有关文件及架构

SDIO驱动框架文件：
SDIO驱动框架文件架构

4. SDIO设备驱动分析

设备驱动与驱动框架文件在不同的目录，设备驱动一般在 bsp 目录中

通常设备驱动完成以下几个事情：

初始化具体外设有关数据结构；
完成具体外设初始化程序编写；
实现设备框架层的具体接口，如：open，read，write，close，control 等；
将具体设备注册到内核中；

需要注意的是，SDIO设备驱动会有些许区别，在SDIO设备驱动程序中，主要完成以下几件事：

初始化具体外设有关数据结构；
SDIO外设的初始化配置；

实现设备框架层的以下几个接口：

struct rt_mmcsd_host_ops {void (*request)(struct rt_mmcsd_host *host, struct rt_mmcsd_req *req);void (*set_iocfg)(struct rt_mmcsd_host *host, struct rt_mmcsd_io_cfg *io_cfg);rt_int32_t (*get_card_status)(struct rt_mmcsd_host *host);void (*enable_sdio_irq)(struct rt_mmcsd_host *host, rt_int32_t en);
};

通知驱动框架层（此处demo程序默认上电前sd卡已接入）；

以 rt-thread/bsp/stm32/libraries/HAL_Drivers/drv_sdio.c 程序为例，SDIO驱动层程序从 rt_hw_sdio_init 函数开始，由于使能了自动初始化，此函数由 INIT_DEVICE_EXPORT(rt_hw_sdio_init); 宏实现初始化调用

（关于自动初始化如何实现的细节，可参考笔者另外一篇博文对自动初始化的详细分析：代码自动初始化（点击跳转））

在 rt_hw_sdio_init 函数中，驱动程序主要初始化以下几个结构体：

stm32外设HAL库配置结构体 SD_HandleTypeDef hsd
stm32 sdio 设备结构体 struct stm32_sdio_des sdio_des
sdio硬件外设结构体 struct rthw_sdio *sdio
mmc sd host结构体struct rt_mmcsd_host

其关系如下图所示：

结构体数据初始化完成以后，调用 mmcsd_change() 函数，触发框架层逻辑

此外，在设备驱动层提供的操作函数主要有：

static const struct rt_mmcsd_host_ops ops =
{rthw_sdio_request,rthw_sdio_iocfg,rthw_sd_detect,rthw_sdio_irq_update,
};

rthw_sdio_request 实现一次SDIO数据发送
rthw_sdio_iocfg 实现SDIO外设配置，注意在SD识别过程中会反复调用，不断更新SDIO外设配置
rthw_sd_detect 实现获取卡的状态获取，demo里这里实际没有实现
rthw_sdio_irq_update 实现SDIO外设中断的开关配置

函数调用顺序如下：

/* 函数调用顺序 */
rt_hw_sdio_init()-> sdio_host_create(&sdio_des)-> mmcsd_change(host)

5. SDIO设备驱动架构分析

设备驱动架构层，也就是中间层，文件框架如下图所示：

我们首先来看下 mmcsd_core.c 这个文件：

rt_mmcsd_core_init() 初始化函数通过 INIT_PREV_EXPORT(rt_mmcsd_core_init); 被初始化调用，同时初始化用于 mmc、sd、sdio检测的邮箱mmcsd_detect_mb，用于热插拔处理的 mmcsd_hotpluge_mb 以及 mmc、sd、sdio检测线程 mmcsd_detect_thread；
在线程mmcsd_detect_thread 中，等待mmcsd_detect_mb邮箱唤醒；
当SDIO驱动层完成初始化话之后，通过调用 mmcsd_change(host) 函数，将mmcsd_detect_thread线程唤醒，开始进行mmc、sd卡、sdio卡的识别过程

mmcsd_core_init() 函数内容如下：

int rt_mmcsd_core_init(void)
{rt_err_t ret;/* initialize detect SD cart thread *//* initialize mailbox and create detect SD card thread */ret = rt_mb_init(&mmcsd_detect_mb, "mmcsdmb",&mmcsd_detect_mb_pool[0], sizeof(mmcsd_detect_mb_pool) / sizeof(mmcsd_detect_mb_pool[0]),RT_IPC_FLAG_FIFO);RT_ASSERT(ret == RT_EOK);ret = rt_mb_init(&mmcsd_hotpluge_mb, "mmcsdhotplugmb",&mmcsd_hotpluge_mb_pool[0], sizeof(mmcsd_hotpluge_mb_pool) / sizeof(mmcsd_hotpluge_mb_pool[0]),RT_IPC_FLAG_FIFO);RT_ASSERT(ret == RT_EOK);ret = rt_thread_init(&mmcsd_detect_thread, "mmcsd_detect", mmcsd_detect, RT_NULL,&mmcsd_stack[0], RT_MMCSD_STACK_SIZE, RT_MMCSD_THREAD_PREORITY, 20);if (ret == RT_EOK){rt_thread_startup(&mmcsd_detect_thread);}rt_sdio_init();return 0;
}
INIT_PREV_EXPORT(rt_mmcsd_core_init);

mmcsd_detect()线程以及 mmcsd_change() 函数如下：
- mmcsd_detect() 函数主要负责完成 SDIO卡、SD卡、MMC卡的初步识别，初步识别确认是哪种类型的卡接入之后，将会调用对应卡驱动文件（SD卡对应sd.c，SDIO卡对应sdio.c，MMC卡对应mmc.c）内的初始化函数，重新完成卡的完整识别流程
- 如果对于SD卡识别流程不了解，建议先熟悉SD卡识别流程，参考 SD Nand 与 SD卡 SDIO模式应用流程（点击跳转）
- 具体流程见下述函数描述，对应步骤已补充注释描述


void mmcsd_change(struct rt_mmcsd_host *host)
{rt_mb_send(&mmcsd_detect_mb, (rt_uint32_t)host);
}void mmcsd_detect(void *param)
{struct rt_mmcsd_host *host;rt_uint32_t  ocr;rt_int32_t  err;while (1){/* 首先等待 mmcsd_detect_mb 信号量，此信号量由 mmcsd_change() 函数发送过来 */if (rt_mb_recv(&mmcsd_detect_mb, (rt_ubase_t *)&host, RT_WAITING_FOREVER) == RT_EOK){/* 通过判断 host->card 确认此次操作是识别卡还是移除卡 */if (host->card == RT_NULL)  /* 识别卡 */{mmcsd_host_lock(host);    /* 获取锁 */mmcsd_power_up(host);  /* 配置SDIO外设电源控制器，power up, 即卡的时钟开启，同时配置SDIO外设时钟为低速模式 */mmcsd_go_idle(host);   /* 发送CMD0指令，使卡进入空闲状态 */mmcsd_send_if_cond(host, host->valid_ocr); /* 发送CMD8命令，查询SD卡接口条件 (获取OCR寄存器) *//** 检测SDIO卡使用，SD卡不用管*/err = sdio_io_send_op_cond(host, 0, &ocr);  /* 发送CMD5命令，此处是针对SDIO卡使用，SD卡不会响应 */if (!err)              /* SD卡不会响应此指令，因此此条件不会成立 */{if (init_sdio(host, ocr))mmcsd_power_off(host);mmcsd_host_unlock(host);continue;}/** 检测SD卡使用，使用SD卡重点关注此项！！！*/err = mmcsd_send_app_op_cond(host, 0, &ocr); /* 发送ACMD41指令（ACMD41：CMD55+CMD41） SD卡将应答此指令 */if (!err){if (init_sd(host, ocr))      /* 此函数内完成SD卡完整的识别流程 */mmcsd_power_off(host);    /* 设置SDIO外设，电源关闭，卡的时钟停止 */mmcsd_host_unlock(host);    /* 释放锁 */rt_mb_send(&mmcsd_hotpluge_mb, (rt_uint32_t)host); /* 发送邮箱，通知热插拔事件 */continue;}/** 检测MMC卡检测使用，SD卡不用管*/err = mmc_send_op_cond(host, 0, &ocr);if (!err){if (init_mmc(host, ocr))mmcsd_power_off(host);mmcsd_host_unlock(host);rt_mb_send(&mmcsd_hotpluge_mb, (rt_uint32_t)host);continue;}mmcsd_host_unlock(host);        /* 识别失败，释放锁 */}else  /* 移除卡 */{/* card removed */mmcsd_host_lock(host);          /* 获取锁 */if (host->card->sdio_function_num != 0){LOG_W("unsupport sdio card plug out!");}else{rt_mmcsd_blk_remove(host->card);rt_free(host->card);host->card = RT_NULL;}mmcsd_host_unlock(host);     /* 释放锁 */rt_mb_send(&mmcsd_hotpluge_mb, (rt_uint32_t)host);}}}
}

在 mmcsd_detect() 函数内完成SD卡的初步识别之后，之后将调用sd.c文件内的init_sd() 函数完成 sd 卡的完整识别过程

/** Starting point for SD card init.*/
rt_int32_t init_sd(struct rt_mmcsd_host *host, rt_uint32_t ocr)
{rt_int32_t err;rt_uint32_t  current_ocr;/** We need to get OCR a different way for SPI.*/if (controller_is_spi(host))      /* 判断是否采用SPI模式访问SD卡 */{mmcsd_go_idle(host);err = mmcsd_spi_read_ocr(host, 0, &ocr);    if (err)goto err;}if (ocr & VDD_165_195){LOG_I(" SD card claims to support the ""incompletely defined 'low voltage range'. This ""will be ignored.");ocr &= ~VDD_165_195;}current_ocr = mmcsd_select_voltage(host, ocr);      /* 配置SDIO外设设置为合适的电压，对于stm32、gd32等相关控制器，实际是不支持不同等级电压配置的，所以这里可以忽略，不过你需要注意你所使用的sd卡的电源在硬件上是匹配的 *//** Can we support the voltage(s) of the card(s)?*/if (!current_ocr){err = -RT_ERROR;goto err;}/** Detect and init the card.*/err = mmcsd_sd_init_card(host, current_ocr);       /* 完整的SD卡初始化流程在此函数内实现 */if (err)goto err;mmcsd_host_unlock(host);                           /* 释放锁 */err = rt_mmcsd_blk_probe(host->card);              /* 注册块设备 */if (err)                                         /* 如果注册块设备失败，将移除卡 */goto remove_card;mmcsd_host_lock(host);                              /* 获取锁 */return 0;remove_card:mmcsd_host_lock(host);                                /* 获取锁 */rt_mmcsd_blk_remove(host->card);                    /* 移除块设备 */rt_free(host->card);                              /* 释放对应的内存 */host->card = RT_NULL;
err:LOG_D("init SD card failed!");return err;
}

调用 mmcsd_sd_init_card() 函数完成SD卡检测以及初始化配置

static rt_int32_t mmcsd_sd_init_card(struct rt_mmcsd_host *host,rt_uint32_t           ocr)
{struct rt_mmcsd_card *card;rt_int32_t err;rt_uint32_t resp[4];rt_uint32_t max_data_rate;mmcsd_go_idle(host);                   /* 发送CMD0，复位SD卡，使卡进入空闲模式 *//** If SD_SEND_IF_COND indicates an SD 2.0* compliant card and we should set bit 30* of the ocr to indicate that we can handle* block-addressed SDHC cards.*/err = mmcsd_send_if_cond(host, ocr); /* 发送CMD8指令，判断是否为V2.0或V2.0以上的卡，并获取OCR寄存器值 */if (!err)                             /* 如果是V2.0及以上版本的卡，将置为OCR的bit30位，表明主机支持高容量SDHC卡（OCR将在ACMD41指令时作为参数发送给卡） */ocr |= 1 << 30;err = mmcsd_send_app_op_cond(host, ocr, RT_NULL);   /* 发送ACMD41（ACMD41 = CMD55+CMD41）指令，发送主机容量支持信息，并询问卡的操作条件 */if (err)goto err;if (controller_is_spi(host))          /* 判断是否使用SPI方式访问SD卡 */err = mmcsd_get_cid(host, resp); /* 采用SPI方式获取CID寄存器值 */elseerr = mmcsd_all_get_cid(host, resp);/* 发送CMD2命令，获取CID寄存器值 */if (err)goto err;card = rt_malloc(sizeof(struct rt_mmcsd_card)); /* 创建rt_mmcsd_card结构体，用于存储对应SD卡的CID寄存器内容 */if (!card){LOG_E("malloc card failed!");err = -RT_ENOMEM;goto err;}rt_memset(card, 0, sizeof(struct rt_mmcsd_card));card->card_type = CARD_TYPE_SD;card->host = host;rt_memcpy(card->resp_cid, resp, sizeof(card->resp_cid));/** For native busses:  get card RCA and quit open drain mode.*/if (!controller_is_spi(host))                       /* 如果不是采用SPI方式访问SD卡 */{err = mmcsd_get_card_addr(host, &card->rca); /* 发送CMD3命令，获取RCA地址 */if (err)goto err1;mmcsd_set_bus_mode(host, MMCSD_BUSMODE_PUSHPULL);/* 设置CMD总线为推挽输出模式，需要注意的是，MMC卡V3.31版本以前的卡，初始化阶段，CMD总线需要为开路模式，对于SD/SD I/O卡和MMC V4.2在初始化时也使用推挽驱动 */}err = mmcsd_get_csd(card, card->resp_csd);          /* 发送CMD9命令，获取CSD寄存器值 */if (err)goto err1;err = mmcsd_parse_csd(card);                      /* 解析CSD寄存器值，将解析完成的数据存放在刚刚申请的card结构体内 */if (err)goto err1;if (!controller_is_spi(host))                      /* 如果不是采用SPI方式访问SD卡 */{err = mmcsd_select_card(card);                  /* 发送CMD7命令，选择卡 */if (err)goto err1;}err = mmcsd_get_scr(card, card->resp_scr);          /* 发送CMD9命令，获取SCR寄存器值，并保存在刚刚申请的card结构体内 */if (err)goto err1;mmcsd_parse_scr(card);                                /* 解析SCR寄存器的值，并将解析结果存放在在card结构体内 */if (controller_is_spi(host)){err = mmcsd_spi_use_crc(host, 1);if (err)goto err1;}/** change SD card to high-speed, only SD2.0 spec*/err = mmcsd_switch(card);                       /* 发送CMD6指令，切换卡访问速率由默认的12.5MB/Sec为25MB/Sec高速接口 */if (err)goto err1;/* set bus speed */max_data_rate = (unsigned int)-1;if (card->flags & CARD_FLAG_HIGHSPEED){if (max_data_rate > card->hs_max_data_rate)max_data_rate = card->hs_max_data_rate;}else if (max_data_rate > card->max_data_rate){max_data_rate = card->max_data_rate;}mmcsd_set_clock(host, max_data_rate);                        /* 修改SDIO外设时钟速度 *//*switch bus width*/if ((host->flags & MMCSD_BUSWIDTH_4) &&(card->scr.sd_bus_widths & SD_SCR_BUS_WIDTH_4))          /* 根据SD卡的SCR寄存器反馈的值，判断SD卡是否支持4线宽度访问模式，如果支持则切换为4线宽度访问模式 */{err = mmcsd_app_set_bus_width(card, MMCSD_BUS_WIDTH_4);    /* 发送ACMD6（ACMD6=CMD55+CMD6）指令，通知SD卡切换为4线访问模式 */if (err)goto err1;mmcsd_set_bus_width(host, MMCSD_BUS_WIDTH_4);          /* 修改SDIO外设配置为4线访问模式 */}host->card = card;                                          /* 将card结构体数据与host结构体建立绑定关系 */return 0;err1:rt_free(card);
err:return err;
}

6. 调试记录

RT-Thread的SDIO驱动，默认上层使用到了 elm-fatfs 文件系统，因此通常我们配置好对应的芯片的SDIO驱动之后，直接就可以快速使用文件系统来操作访问SD Nand了，关于文件系统的有关内容，不在此文中做过多描述，有兴趣的同学可以关注本人博客，后续将及时更新。

此外，在实际使用中有一点需要注意，当我们首次使用芯片的时候，sd nand内还未写入任何数据，此时通常是没有文件系统的，所以当一次执行之后你会见到如下错误：

这是由于SD nand内没有挂载文件系统导致，解决此问题有以下两个方法：

方法一：在命令终端使用mkfs挂载文件系统，具体命令步骤如下：
- 使用list_device查看sd nand对应的设备名
- 使用 mkfs 命令格式化sd nand：mkfs -t elm sd0 （-t 指定文件系统类型为elm-FAT文件系统，对sd0设备操作）
方法二：将SD nand通过读卡器，插入电脑，在电脑上进行格式化U盘操作，不过此操作需要SD nand的转接板

7. 总结

以上便是SD卡的识别与初始化流程，整体流程简单的梳理一下，大致如下：

由 drv_sdio.c 外设驱动或其他调用 mmcsd_change() 触发 mmcsd_detect() 检测
在 mmcsd_detect () 任务中，实现对SD卡、SD I/O卡、MMC卡的初步识别（发送对应卡特有命令，并判断是否正确响应），之后根据卡片类型调用不同类型卡片驱动文件内的初始化程序

如针对SD卡，则调用sd.c文件内的 init_sd() 函数完成
在init_sd()函数内调用 mmcsd_sd_init_card() 完成SD卡的完整识别流程以及初始化流程，同时同步修改SDIO外设配置
SD卡初始化完成之后，调用 rt_mmcsd_blk_probe() 将sd卡注册为块设备
至此SD的识别与初始化流程顺利完成

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（点击跳转）SD Nand 与 SD卡 SDIO模式应用流程
（点击跳转）SD nand与SD卡 SPI模式驱动

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