本文是Linux MMC framework的第二篇，将从驱动工程师的角度，介绍MMC host controller driver有关的知识，学习并掌握如何在MMC framework的框架下，编写MMC控制器的驱动程序。同时，通过本篇文章，我们会进一步的理解MMC、SD、SDIO等有关的基础知识。

MMC的host driver，是用于驱动MMC host控制器的程序，位于“drivers/mmc/host”目录。从大的流程上看，编写一个这样的驱动非常简单，只需要三步：

1）调用mmc_alloc_host，分配一个struct mmc_host类型的变量，用于描述某一个具体的MMC host控制器。

2）根据MMC host控制器的硬件特性，填充struct mmc_host变量的各个字段，例如MMC类型、电压范围、操作函数集等等。

3）调用mmc_add_host接口，将正确填充的MMC host注册到MMC core中。

当然，看着简单，一牵涉到实现细节，还是很麻烦的，后面我们会慢慢分析。

注1：分析MMC host driver的时候，Linux kernel中有大把大把的例子（例如drivers/mmc/host/pxamci.c），大家可尽情参考、学习，不必谦虚（这是学习Linux的最佳方法）。

注2：由于MMC host driver牵涉到具体的硬件controller，分析的过程中需要一些具体的硬件辅助理解，本文将以“X Project”所使用Bubblegum-96平台为例，具体的硬件spec可参考[1]。

MMC core使用struct mmc_host结构抽象具体的MMC host controller，该结构的定义位于“include/linux/mmc/host.h”中，它既可以用来描述MMC控制器所具有的特性、能力（host driver关心的内容），也保存了host driver运行过程中的一些状态、参数（MMC core关心的内容）。需要host driver关心的部分的具体的介绍如下：

parent，一个struct device类型的指针，指向该MMC host的父设备，一般是注册该host的那个platform设备；

class_dev，一个struct device类型的变量，是该MMC host在设备模型中作为一个“设备”的体现。当然，人如其名，该设备从属于某一个class（mmc_host_class）；

ops，一个struct mmc_host_ops类型的指针，保存了该MMC host有关的操作函数集，具体可参考3.2小节的介绍；

pwrseq，一个struct mmc_pwrseq类型的指针，保存了该MMC host电源管理有关的操作函数集，具体可参考3.2小节的介绍；

f_min、f_max、f_init，该MMC host支持的时钟频率范围，最小频率、最大频率以及初始频率；

ocr_avail，该MMC host可支持的操作电压范围（具体可参考include/linux/mmc/host.h中MMC_VDD_开头的定义）； 注3：OCR（Operating Conditions Register）是MMC/SD/SDIO卡的一个32-bit的寄存器，其中有些bit指明了该卡的操作电压。MMC host在驱动这些卡的时候，需要和Host自身所支持的电压范围匹配之后，才能正常操作，这就是ocr_avail的存在意义。

ocr_avail_sdio、ocr_avail_sd、ocr_avail_mmc，如果MMC host针对SDIO、SD、MMC等不同类型的卡，所支持的电压范围不同的话，需要通过这几个字段特别指定。否则，不需要赋值（初始化为0）；

pm_notify，一个struct notifier_block类型的变量，用于支持power management有关的notify实现；

max_current_330、max_current_300、max_current_180，当工作电压分别是3.3v、3v以及1.8v的时候，所支持的最大操作电流（如果MMC host没有特别的限制，可以不赋值）；

caps、caps2，指示该MMC host所支持的功能特性，具体可参考3.4小节的介绍；

pm_caps，mmc_pm_flag_t类型的变量，指示该MMC host所支持的电源管理特性；

max_seg_size、max_segs、max_req_size、max_blk_size、max_blk_count、max_busy_timeout，和块设备（如MMC、SD、eMMC等）有关的参数，在古老的磁盘时代，这些参数比较重要。对基于MMC技术的块设备来说，硬件的性能大大提升，这些参数就没有太大的意义了。具体可参考5.2章节有关MMC数据传输的介绍；

lock，一个spin lock，是MMC host driver的私有变量，可用于保护host driver的临界资源；

ios，一个struct mmc_ios类型的变量，用于保存MMC bus的当前配置，具体可参考3.5小节的介绍；

supply，一个struct mmc_supply类型的变量，用于描述MMC系统中的供电信息，具体可参考3.6小节的介绍；

……

private，一个0长度的数组，可以在mmc_alloc_host时指定长度，由host controller driver自行支配。

struct mmc_host_ops抽象并集合了MMC host controller所有的操作函数集，包括：

1）数据传输有关的函数

/* * It is optional for the host to implement pre_req and post_req in * order to support double buffering of requests (prepare one * request while another request is active). * pre_req() must always be followed by a post_req(). * To undo a call made to pre_req(), call post_req() with * a nonzero err condition. */ void    (*post_req)(struct mmc_host *host, struct mmc_request *req,                     int err); void    (*pre_req)(struct mmc_host *host, struct mmc_request *req,                    bool is_first_req); void    (*request)(struct mmc_host *host, struct mmc_request *req);

pre_req和post_req是非必需的，host driver可以利用它们实现诸如双buffer之类的高级功能。

数据传输的主题是struct mmc_request类型的指针，具体可参考3.7小节的介绍。

2）总线参数的配置以及卡状态的获取函数

/* * Avoid calling these three functions too often or in a "fast path", * since underlaying controller might implement them in an expensive * and/or slow way. * * Also note that these functions might sleep, so don't call them * in the atomic contexts! * * Return values for the get_ro callback should be: *   0 for a read/write card *   1 for a read-only card *   -ENOSYS when not supported (equal to NULL callback) *   or a negative errno value when something bad happened * * Return values for the get_cd callback should be: *   0 for a absent card *   1 for a present card *   -ENOSYS when not supported (equal to NULL callback) *   or a negative errno value when something bad happened */ void    (*set_ios)(struct mmc_host *host, struct mmc_ios *ios); int     (*get_ro)(struct mmc_host *host); int     (*get_cd)(struct mmc_host *host);

set_ios用于设置bus的参数（ios，可参考3.5小节的介绍）；get_ro可获取card的读写状态（具体可参考上面的注释）；get_cd用于检测卡的存在状态。

注4：注释中特别说明了，这几个函数可以sleep，耗时较长，没事别乱用。

3）其它一些非主流函数，都是optional的，用到的时候再去细看即可。

MMC framework的power sequence是一个比较有意思的功能，它提供一个名称为struct mmc_pwrseq_ops的操作函数集，集合了power on、power off等操作函数，用于控制MMC系统的供电，如下：

struct mmc_pwrseq_ops {         void (*pre_power_on)(struct mmc_host *host);         void (*post_power_on)(struct mmc_host *host);         void (*power_off)(struct mmc_host *host);         void (*free)(struct mmc_host *host); };

struct mmc_pwrseq {         const struct mmc_pwrseq_ops *ops; };

与此同时，MMC core提供了一个通用的pwrseq的管理模块（drivers/mmc/core/pwrseq.c），以及一些简单的pwrseq策略（如drivers/mmc/core/pwrseq_simple.c、drivers/mmc/core/pwrseq_emmc.c），最终的目的是，通过一些简单的dts配置，即可正确配置MMC的供电，例如：

/* arch/arm/boot/dts/omap3-igep0020.dts */ mmc2_pwrseq: mmc2_pwrseq {         compatible = "mmc-pwrseq-simple";         reset-gpios = ,      /* gpio_139 - RESET_N_W */                       ;      /* gpio_138 - WIFI_PDN */ };

/* arch/arm/boot/dts/rk3288-veyron.dtsi  */ emmc_pwrseq: emmc-pwrseq {         compatible = "mmc-pwrseq-emmc";         pinctrl-0 = ;         pinctrl-names = "default";         reset-gpios = ; };

具体的细节，在需要的时候，阅读代码即可，这里不再赘述。

通过的caps和caps2两个字段，MMC host driver可以告诉MMC core控制器的一些特性、能力，包括（具体可参考include/linux/mmc/host.h中相关的宏定义，更为细致的使用场景和指南，需要结合实际的硬件，具体分析）：

MMC_CAP_4_BIT_DATA，支持4-bit的总线传输； MMC_CAP_MMC_HIGHSPEED，支持“高速MMC时序”； MMC_CAP_SD_HIGHSPEED，支持“高速SD时序”； MMC_CAP_SDIO_IRQ，可以产生SDIO有关的中断； MMC_CAP_SPI，仅仅支持SPI协议（可参考“drivers/mmc/host/mmc_spi.c”中有关的实现）； MMC_CAP_NEEDS_POLL，表明需要不停的查询卡的插入状态（如果需要支持热拔插的卡，则需要设置该feature）； MMC_CAP_8_BIT_DATA，支持8-bit的总线传输； MMC_CAP_AGGRESSIVE_PM，支持比较积极的电源管理策略（kernel的注释为“Suspend (e)MMC/SD at idle”）； MMC_CAP_NONREMOVABLE，表明该MMC控制器所连接的卡是不可拆卸的，例如eMMC； MMC_CAP_WAIT_WHILE_BUSY，表面Host controller在向卡发送命令时，如果卡处于busy状态，是否等待。如果不等待，MMC core在一些流程中（如查询busy状态），需要额外做一些处理； MMC_CAP_ERASE，表明该MMC控制器允许执行擦除命令； MMC_CAP_1_8V_DDR，支持工作电压为1.8v的DDR（Double Data Rate）mode[3]； MMC_CAP_1_2V_DDR，支持工作电压为1.2v的DDR（Double Data Rate）mode[3]； MMC_CAP_POWER_OFF_CARD，可以在启动之后，关闭卡的供电（一般只有在SDIO的应用场景中才可能用到，因为SDIO所连接的设备可能是一个独立的设备）； MMC_CAP_BUS_WIDTH_TEST，支持通过CMD14和CMD19进行总线宽度的测试，以便选择一个合适的总线宽度进行通信； MMC_CAP_UHS_SDR12、MMC_CAP_UHS_SDR25、MMC_CAP_UHS_SDR50、MMC_CAP_UHS_SDR104，它们是SD3.0的速率模式，分别表示支持25MHz、50MHz、100MHz和208MHz的SDR（Single Data Rate，相对[3]中的DDR）模式； MMC_CAP_UHS_DDR50，它也是SD3.0的速率模式，表示支持50MHz的DDR（Double Data Rate[3]）模式； MMC_CAP_DRIVER_TYPE_A、MMC_CAP_DRIVER_TYPE_C、MMC_CAP_DRIVER_TYPE_D，分别表示支持A/C/D类型的driver strength（驱动能力，具体可参考相应的spec）； MMC_CAP_CMD23，表示该controller支持multiblock transfers（通过CMD23）； MMC_CAP_HW_RESET，支持硬件reset；

MMC_CAP2_FULL_PWR_CYCLE，表示该controller支持从power off到power on的完整的power cycle； MMC_CAP2_HS200_1_8V_SDR、MMC_CAP2_HS200_1_2V_SDR，HS200是eMMC5.0支持的一种速率模式，200是200MHz的缩写，分别表示支持1.8v和1.2v的SDR模式； MMC_CAP2_HS200，表示同时支持MMC_CAP2_HS200_1_8V_SDR和MMC_CAP2_HS200_1_2V_SDR； MMC_CAP2_HC_ERASE_SZ，支持High-capacity erase size； MMC_CAP2_CD_ACTIVE_HIGH，CD（Card-detect）信号高有效； MMC_CAP2_RO_ACTIVE_HIGH，RO（Write-protect）信号高有效； MMC_CAP2_PACKED_RD、MMC_CAP2_PACKED_WR，允许packed read、packed write； MMC_CAP2_PACKED_CMD，同时支持DMMC_CAP2_PACKED_RD和MMC_CAP2_PACKED_WR； MMC_CAP2_NO_PRESCAN_POWERUP，在scan之前不要上电； MMC_CAP2_HS400_1_8V、MMC_CAP2_HS400_1_2V，HS400是eMMC5.0支持的一种速率模式，400是400MHz的缩写，分别表示支持1.8v和1.2v的HS400模式； MMC_CAP2_HS400，同时支持MMC_CAP2_HS400_1_8V和MMC_CAP2_HS400_1_2V； MMC_CAP2_HSX00_1_2V，同时支持MMC_CAP2_HS200_1_2V_SDR和MMC_CAP2_HS400_1_2V； MMC_CAP2_SDIO_IRQ_NOTHREAD，SDIO的IRQ的处理函数，不能在线程里面执行； MMC_CAP2_NO_WRITE_PROTECT，没有物理的RO管脚，意味着任何时候都是可以读写的； MMC_CAP2_NO_SDIO，在初始化的时候，不会发送SDIO相关的命令（也就是说不支持SDIO模式）。

struct mmc_ios中保存了MMC总线当前的配置情况，包括如下信息：

1）clock，时钟频率。

2）vdd，卡的供电电压，通过“1 stop指针）；如果是pre-defined block count，则需要sbc指针（用于发送SET_BLOCK_COUNT--CMD23命令）；

completion，一个struct completion变量，用于等待此次传输完成，host controller driver可以根据需要使用；

done，传输完成时的回调，用于通知传输请求的发起者；

host，对应的mmc host controller指针。

3.7.3 struct mmc_command

struct mmc_command结构抽象了一个MMC command，包括如下内容：

/* include/linux/mmc/core.h */

opcode，Command的操作码，用于标识该命令是哪一个命令，具体可参考相应的spec（例如[2]）；

arg，一个Command可能会携带参数，具体可参考相应的spec（例如[2]）；

resp[4]，Command发出后，如果需要应答，结果保存在resp数组中，该数组是32-bit的，因此最多可以保存128bits的应答；

flags，是一个bitmap，保存该命令所期望的应答类型，例如： MMC_RSP_PRESENT（1 caps & MMC_CAP_SPI) static inline int mmc_card_is_removable(struct mmc_host *host) static inline int mmc_card_keep_power(struct mmc_host *host) static inline int mmc_card_wake_sdio_irq(struct mmc_host *host) static inline int mmc_host_cmd23(struct mmc_host *host) static inline int mmc_boot_partition_access(struct mmc_host *host) static inline int mmc_host_uhs(struct mmc_host *host) static inline int mmc_host_packed_wr(struct mmc_host *host) static inline int mmc_card_hs(struct mmc_card *card) static inline int mmc_card_uhs(struct mmc_card *card) static inline bool mmc_card_hs200(struct mmc_card *card) static inline bool mmc_card_ddr52(struct mmc_card *card) static inline bool mmc_card_hs400(struct mmc_card *card) static inline void mmc_retune_needed(struct mmc_host *host) static inline void mmc_retune_recheck(struct mmc_host *host)

经过上面章节的描述，相信大家对MMC controller driver有了比较深的理解，接下来驱动的编写就是一件水到渠成的事情了。这里简要描述一下驱动编写步骤，也顺便为本文做一个总结。

编写MMC host驱动的所有工作，都是围绕struct mmc_host结构展开的。在对应的platform driver的probe函数中，通过mmc_alloc_host分配一个mmc host后，我们需要根据controller的实际情况，填充对应的字段。

mmc host中大部分和controller能力/特性有关的字段，可以通过dts配置（然后在代码中调用mmc_of_parse自动解析并填充），举例如下（注意其中红色的部分，都是MMC framework的标准字段）：

/* arch/arm/boot/dts/exynos5420-peach-pit.dts */

&mmc_1 {         status = "okay";         num-slots = ;         non-removable;         cap-sdio-irq;         keep-power-in-suspend;         clock-frequency = ;         samsung,dw-mshc-ciu-div = ;         samsung,dw-mshc-sdr-timing = ;         samsung,dw-mshc-ddr-timing = ;         pinctrl-names = "default";         pinctrl-0 = , , , ,                     , , ;         bus-width = ;         cap-sd-highspeed;         mmc-pwrseq = ;         vqmmc-supply = ; };

填充struct mmc_host变量的过程中，工作量最大的，就是对struct mmc_host_ops的实现（毫无疑问！所有MMC host的操作逻辑都封在这里呢！！）。这里简单介绍一下相关的概念，具体的驱动编写步骤，后面文章会结合“X Project”详细描述。

5.2.1 Sectors（扇区）、Blocks（块）以及Segments（段）的理解

我们在3.1小节介绍struct mmc_host的时候，提到了max_seg_size、max_segs、max_req_size、max_blk_size、max_blk_count等参数。这和磁盘设备（块设备）中Sectors、Blocks、Segments等概念有关，下面简单介绍一下：

1）Sectors

Sectors是存储设备访问的基本单位。

对磁盘、NAND等块设备来说，Sector的size是固定的，例如512、2048等。

对存储类的MMC设备来说，按理说也应有固定size的sector。但因为有MMC协议的封装，host驱动以及上面的块设备驱动，不需要关注物理的size。它们需要关注的就是bus上的数据传输单位（具体可参考MMC protocol的介绍[7]）。

最后，对那些非存储类的MMC设备来说，完全没有sector的概念了。

2） Blocks

Blocks是数据传输的基本单位，是VFS（虚拟文件系统）抽象出来的概念，是纯软件的概念，和硬件无关。它必须是2的整数倍、不能大于Sectors的单位、不能大于page的长度，一般为512B、2048B或者4096B。

对MMC设备来说，由于协议的封装，淡化了Sector的概念，或者说，MMC设备可以支持一定范围内的任意的Block size。Block size的范围，由两个因素决定： a）host controller的能力，这反映在struct mmc_host结构的max_blk_size字段上。 b）卡的能力，这可以通过MMC command从卡的CSD（Card-Specific Data）寄存器中读出。

3）Segments[8]

块设备的数据传输，本质上是设备上相邻扇区与内存之间的数据传输。通常情况下，为了提升性能，数据传输通过DMA方式。

在磁盘控制器的旧时代，DMA操作都比较简单，每次传输，数据在内存中必须是连续的。现在则不同，很多SOC都支持“分散/聚合”（scatter-gather）DMA操作，这种操作模式下，数据传输可以在多个非连续的内存区域中进行。

对于每个“分散/聚合”DMA操作，块设备驱动需要向控制器发送： a）初始扇区号和传输的总共扇区数 b）内存区域的描述链表，每个描述都包含一个地址和长度。不同的描述之间，可以在物理上连续，也可以不连续。

控制器来管理整个数据传输，例如：在读操作中，控制器从块设备相邻的扇区上读取数据，然后将数据分散存储在内存的不同区域。

这里的每个内存区域描述（物理连续的一段内存，可以是一个page，也可以是page的一部分），就称作Segment。一个Segment包含多个相邻扇区。

最后，利用“分散/聚合”的DMA操作，一次数据传输可以会涉及多个segments。

理解了Segment的概念之后，max_seg_size和max_segs两个字段就好理解了：

虽然控制器支持“分散/聚合”的DMA操作，但物理硬件总有限制，例如最大的Segment size（也即一个内存描述的最大长度），最多支持的segment个数（max_segs）等。

5.2.2 struct mmc_data中的sg

我们在3.7.4小节介绍struct mmc_data时，提到了scatterlist的概念。结合上面Segment的解释，就很好理解了：

MMC core提交给MMC host driver的数据传输请求，是一个struct scatterlist链表（也即内存区域的描述链表），也可以理解为是一个个的Segment（Segment的个数保存在sg_len变量中了）。

每个Segment是一段物理地址连续的内存区域，所有的Segments对应了MMC设备中连续的Sector（或者说Block，初始扇区号和传输的总共扇区数已经在之前的MMC command中指定了。

host driver在接收到这样的数据传输请求之后，需要调用dma_map_sg将这些Segment映射出来（获得相应的物理地址），以便交给MMC controller传输。

当然，相邻两个Segment的物理地址可能是连续（或者其它原因），map的时候可能会将两个Segment合成一个。因此可供MMC controller传输的内存片可能少于sg_len（具体要看dma_map_sg的返回值，可将结果保存在sg_count中）。

最后，如何实施传输，则要看具体的MMC controller的硬件实现（可能涉及DMA操作），后面文章再详细介绍。

[1] SoC_bubblegum96.pdf

[2] JESD84-A44.pdf

[3] DDR mode, https://en.wikipedia.org/wiki/Double_data_rate

[4] http://www.hjreggel.net/cardspeed/cs_sdxc.html

[5] regulator framework，http://www.wowotech.net/tag/regulator

[6] MMC/SD/SDIO介绍

[7] eMMC 原理 4 ：总线协议

[8] http://www.ilinuxkernel.com/files/Linux.Generic.Block.Layer.pdf

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