Linux驱动——mmc概念与框架（一）

Linux驱动——mmc概念与框架（一）

备注：
  1. Kernel版本：5.4
  2. 使用工具：Source Insight 4.0
  3. 参考博客：
Linux MMC framework(1)_软件架构

1. [mmc subsystem] 概念与框架

概念

mmc的概念

  mmc有很多种意义，具体如下：

• mmc
    MultiMedia Card，多媒体存储卡， 但后续泛指一个接口协定（一种卡式），能符合这接口的内存器都可称作mmc储存体。

  

• 主要特性
    工作电压：高电压为2.7～3.6 V，低电压为1.65～1.95 V，可选。

  

• mmc总线
    mmc总线是和I2C总线、SPI总线类似的一种总线结构。简化系统结构图如下（也可以理解为硬件框架图）：
  

  

• 硬件特性

  卡与主控制器间串行传送，工作时钟频率范围为0～200 MHz。
  mmc总线上最多可识别64 K个mmc设备，在总线上不超过10个卡时，可运行到最高频率。

mmc设备

  使用mmc接口规范（MCI, Multimedia Card Interface）的设备都可以称之为mmc设备。
  可分成三个种类，如下：

• mmc type card

（1）标准mmc卡：闪存卡的一种，使用mmc标准。
（2）emmc：Embedded MultiMediaCard，是MMC协会所制定的内嵌式存储器标准规格，带有mmc接口，是具备mmc协议的芯片。

• sd type card

（1）sd卡：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，可以设定所储存的使用权限，防止数据被他人复制。兼容mmc接口规范。

• sdio type card

（1）sdio设备：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。常见的sdio设备有Wi-Fi card、Bluetooth card等等。

  注意，这几种类型的card统称为mmc card。

mmc协议

  类似i2c协议、spi协议，mmc总线上也有一套自己的通讯规范。通信规范后续在说明。

  而上述mmc设备基于上mmc总线通讯规范上由自身硬件特性设置了自己的一套协议。

  jedec的协议规范可以去jedec的官网上下载。

• 标准mmc卡协议

<1> mmc4.0
<2> mmc4.1《MultiMediaCard (MMC) Electrical Standard, Standard Capacity (MMCA, 4.1)》

<3>mmc4.2《MultiMediaCard (MMC) Electrical Standard, High Capacity (MMCA, 4.2)》

• emmc协议（主要区别主要在读写速度上）

<1> emmc4.41《Embedded MultiMediaCard(e•MMC) e•MMC/Card Product Standard, High Capacity, including Reliable Write, Boot, Sleep Modes, Dual Data Rate, Multiple Partitions Supports, Security Enhancement, Background Operation and High Priority Interrupt (MMCA, 4.41)》

<2> emmc4.51《Embedded Multimedia Card (e•MMC), Electrical Standard 4.51》

<3> emmc5.0《Embedded Multi-Media Card (e•MMC) Electrical Standard (5.01)》

<4> emmc5.1《Embedded Multi-Media Card (e•MMC) Electrical Standard (5.1)》

• sd协议

<1> sd1.0《SD Host Controller Simplified Specification》

<2> sd2.0《SD Host Controller Simplified Specification》

<3> sd3.0《SD Host Controller Simplified Specification》

<4> sdio4.2《SD Host Controller Simplified Specification》

• sdio协议

<1> sdio1.0《SDIO Simplified Specification》

<2> sdio1.1《SDIO Simplified Specification》

<3> sdio2.0《SDIO Simplified Specification》

<4> sdio3.0《SDIO Simplified Specification》

软件架构

  MMC framework分别有“从左到右”和“从下到上”两种层次结构。

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• 1） 从左到右
    MMC协议是一个总线协议，因此包括Host controller、Bus、Card三类实体（从左到右）。相应的，MMC framework抽象出了host、bus、card三个软件实体，以便和硬件一一对应：

  host，负责驱动Host controller，提供诸如访问card的寄存器、检测card的插拔、读写card等操作方法。从设备模型的角度看，host会检测卡的插入，并向bus注册MMC card设备；

  bus，是MMC bus的虚拟抽象，以标准设备模型的方式，收纳MMC card（device）以及对应的MMC driver（driver）；

  card，抽象具体的MMC卡，由对应的MMC driver驱动（从这个角度看，可以忽略MMC的技术细节，只需关心一个个具有特定功能的卡设备，如存储卡、WIFI卡、GPS卡等等）。

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• 2）从下到上

  MMC framework从下到上也有3个层次（老生常谈了）：

  MMC core位于中间，是MMC framework的核心实现，负责抽象host、bus、card等软件实体，负责向底层提供统一、便利的编写Host controller driver的API；
  MMC host controller driver位于底层，基于MMC core提供的框架，驱动具体的硬件（MMC controller）；
  MMC card driver位于最上面，负责驱动MMC core抽象出来的虚拟的card设备，并对接内核其它的framework（例如块设备、TTY、wireless等），实现具体的功能。
  这里补充说明，sdhci并不是实际的host驱动，而是上述说明的sdhc标准的host的驱动部分，如：sdhci-msm和sdhci-s3c都使用了SDHC标准。

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• 3）文件目录结构
    
    Linux kernel把mmc,sd以及sdio三者的驱动代码整合在一起，俗称mmc子系统。源码位于drivers/mmc下。其下有两个子目录，分别是：
  

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core（核心层）
主要子文件：bus.h/.c、core.h/.c、host.h/.c、mmc.c、sdio.c、sd.c、block.c、queue.h、queue.c等。
  作用一：主要是按照 LINUX 块设备驱动程序的框架实现一个卡的块设备驱动；
  作用二：核心层封装了 MMC/SD 卡的命令，例如存储卡的识别，设置，读写；

文件说明：
  block.c： 在 该文件当中我们可以看到写一个块设备驱动程序时需要的 block_device_operations 结构体变量的定义，其中有 open/release/ioctl 函数的实现；

  queue.c ：则是对内核提供的请求队列的封装，我们暂时不用深入理解它，只需要知道一个块设备需要一个请求队列就可以了。

  bus：总线相关操作，连接驱动和设备的桥梁；

  core：提供存储卡的相关操作，core.c由 sd.c、mmc.c 两个文件支撑的， core.c 把 MMC 卡、 SD 卡的共性抽象出来，它们的差别由 sd.c 和 sd_ops.c 、 mmc.c 和 mmc_ops.c 来完成。

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host（主机控制层）
  主机控制器则是依赖于不同的平台的，例如 s3c2410 的卡控制器和 atmel 的卡控制器必定是不一样的，所以要针对不同的控制器来实现。
  以 s3cmci.c 为例，它首先要进行一些设置，例如中断函数注册，全能控制器等等。然后它会向 core 层注册一个主机（ host ），用结构 mmc_host_ops 描述，这样核心层就可以拿着这个 host 来操作 s3c24xx 的卡控制器了，而具体是 s3c24xx 的卡控制器还是 atmel 的卡控制器， core 层是不用知道的。

sys下的文件节点说明

bus节点

mmc bus节点的对应路径为/sys/bus/mmc。在mmc_register_bus中生成。

在devices目录下有如下节点
/sys/bus/mmc/devices/mmc0:5048
其中mmc0:5048就是mmc core抽象出来的card设备，对应于我们板子上的sd。
对应代码参考mmc_alloc_card & mmc_add_card。

在drivers目录下有如下节点
/sys/bus/mmc/drivers/mmcblk
其中mmcblk就是block.c中实现的card driver。
对应代码参考mmc_register_driver。

在devices目录下有如下节点
/sys/bus/sdio/devices/mmc1:0001:1
其中mmc1:0001:1就是mmc core抽象出来的card设备，对应于我们板子上的sdio wifi。
对应代码参考mmc_alloc_card & mmc_add_card。

在drivers目录下有如下节点
/sys/bus/sdio/drivers/rtl8189fs

host的class节点

  mmc core实现了一个class用于维护和管理mmc host。其对应路径为/sys/class/mmc_host。mmc core会为每个注册到mmc core中的mmc host在该class目录下添加一个对应的节点。在mmc_add_host中生成。
示例如下：

创建class的代码参考mmc_register_host_class


在/sys/class/mmc_host下有如下目录：
/sys/class/mmc_host/mmc0 
/sys/class/mmc_host/mmc1
mmc0就是对应alias序号为0的host，而mmc1就是对应alias序号为1的host。 具体代码参考mmc_alloc_host。


/sys/class/mmc_host/mmc0下有如下属性：
device     mmc0:5048  power      subsystem  uevent

/sys/class/mmc_host/mmc1下有如下属性：
device     mmc1:0001  power      subsystem  uevent

card对应的sys节点

mmc core把mmc设备抽象为card设备。
从两个地方可以找到其对应的sys节点。
简单示例如下：

以mmc0：5048设备为例，mmc0表示这个card挂载mmc0这个host上，0001表示card设备地址为5048（也就是RCA，协议的东西，后续会说明）
（1）/sys/bus/mmc/devices/mmc0:5048（因为是挂在mmc bus上）
（2）/sys/class/mmc_host/mmc0/mmc0:5048（因为card的parent device为mmc host的class device）
具体代码参考mmc_alloc_card & mmc_add_card。

其有如下属性：
block                 hwrev                 scr
cid                   manfid                serial
csd                   name                  ssr
date                  ocr                   subsystem
driver                oemid                 type
dsr                   power                 uevent
erase_size            preferred_erase_size
fwrev                 rca

debug节点

  mmc core为每个注册到core中的host创建了对应的debug节点。
  以mmc0这个host为例，其对应节点路径为/sys/kernel/debug/mmc0。

/sys/kernel/debug/mmc0有如下属性：
caps       caps2      clock      ios        mmc0:5048
具体代码参考mmc_add_host——》mmc_add_host_debugfs


mmc0:5048下有如下debug属性： 
state   status

源码分析

源码路径：drivers/mmc/core/core.c

static int __init mmc_init(void)
{
	int ret;

	ret = mmc_register_bus();//注册mmc bus
	if (ret)
		return ret;

	ret = mmc_register_host_class(); //注册mmc_host class
	if (ret)
		goto unregister_bus;

	ret = sdio_register_bus();  //注册sdio bus
	if (ret)
		goto unregister_host_class;

	return 0;

unregister_host_class:
	mmc_unregister_host_class();
unregister_bus:
	mmc_unregister_bus();
	return ret;
}

static void __exit mmc_exit(void)
{
	sdio_unregister_bus();
	mmc_unregister_host_class();
	mmc_unregister_bus();
}

subsys_initcall(mmc_init);
module_exit(mmc_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

mmc bus注册：
源码路径：drivers/mmc/core/bus.c

static struct bus_type mmc_bus_type = {
	.name		= "mmc",
	.dev_groups	= mmc_dev_groups,
	.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,
};

int mmc_register_bus(void)
{
	return bus_register(&mmc_bus_type);
}

sdio bus注册：
源码路径：drivers/mmc/core/sdio_bus.c

static struct bus_type sdio_bus_type = {
	.name		= "sdio",
	.dev_groups	= sdio_dev_groups,
	.match		= sdio_bus_match,
	.uevent		= sdio_bus_uevent,
	.probe		= sdio_bus_probe,
	.remove		= sdio_bus_remove,
	.pm		= &sdio_bus_pm_ops,
};

int sdio_register_bus(void)
{
	return bus_register(&sdio_bus_type);
}

mmc_host class注册：
源码路径：drivers/mmc/core/host.c

static struct class mmc_host_class = {
	.name		= "mmc_host",
	.dev_release	= mmc_host_classdev_release,
};

int mmc_register_host_class(void)
{
	return class_register(&mmc_host_class);
}