SD卡驱动理论篇

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)。

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。

 

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