基于S3C2440的嵌入式Linux驱动——MMC/SD子系统解读(二)

ulppknot · 发表于 2020-6-5 16:38

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在阅读本文之前，请先掌握以下基本知识，不然请略过本文。

预备知识：

熟读LDD3前十章节的内容。

熟悉内核驱动模型（sysfs）和platform总线。

简要了解过SD卡规范。

本文的内容基于如下硬件和软件平台：

目标平台：TQ2440

CPU：s3c2440

内核版本：3.12.5

基于SD规范4.10，即《SD Specifications Part 1 Physical Layer Simplified Specification Version 4.10》。

在阅读MMC子系统时，一个问题随之就会产生：当我们插入一张SD卡时，系统是如何识别到这张SD卡并将它注册进系统的呢？

这一过程，源于MMC控制器驱动的不懈努力。。。。。。下面，我们从控制器驱动开始，来深入挖掘这一过程。

1. MMC控制器驱动
1.1 MMC控制器入口函数及probe方法
本文以三星的s3c2440上的MMC控制器驱动为例，来进行简要的说明。

从MMC控制器驱动的入口函数开始，如下：

下列代码位于：linux/drivers/mmc/host/s3cmci.c

static struct platform_driver s3cmci_driver = {
.driver = {
.name = "s3c-sdi",
.owner = THIS_MODULE,
.pm = s3cmci_pm_ops,
},
.id_table = s3cmci_driver_ids,
.probe = s3cmci_probe,
.remove = s3cmci_remove,
.shutdown = s3cmci_shutdown,
};

module_platform_driver(s3cmci_driver);

这里直接调用了platform的驱动注册函数来注册一个名为s3c-sdi的驱动，该驱动将绑定mmc主控制器设备。
为了让该驱动成功绑定MMC主控制器设备，需要先进行移植操作，具体可见：S3C2440 Linux驱动移植——SD卡驱动

绑定成功后，立即会调用probe方法，也就是s3cmci_probe函数，我们来看下：

static int s3cmci_probe(struct platform_device *pdev)
{
struct s3cmci_host *host;
struct mmc_host *mmc;
int ret;
int is2440;
int i;

/* */
is2440 = platform_get_device_id(pdev)->driver_data;

/* 分配struct mmc_host和struct s3cmci_host */
mmc = mmc_alloc_host(sizeof(struct s3cmci_host), &pdev->dev);
if (!mmc) {
ret = -ENOMEM;
goto probe_out;
}

/* 申请IO管脚*/
for (i = S3C2410_GPE(5); i <= S3C2410_GPE(10); i++) {
ret = gpio_request(i, dev_name(&pdev->dev));
if (ret) {
dev_err(&pdev->dev, "failed to get gpio %d\n", i);

for (i--; i >= S3C2410_GPE(5); i--)
gpio_free(i);

goto probe_free_host;
}
}

host = mmc_priv(mmc); /* 获取struct s3cmci_host指针*/
host->mmc = mmc; /* 保存mmc指针*/
host->pdev = pdev; /* 保存平台设备指针*/
host->is2440 = is2440; /* 是否为2440*/

host->pdata = pdev->dev.platform_data; /* 保存板级设备信息*/
if (!host->pdata) {
/* 如果没有板级设备信息，给出默认的*/
pdev->dev.platform_data = &s3cmci_def_pdata;
host->pdata = &s3cmci_def_pdata;
}

/* 初始化自旋锁*/
spin_lock_init(&host->complete_lock);
/* 初始化1个tasklet，执行pio_tasklet*/
tasklet_init(&host->pio_tasklet, pio_tasklet, (unsigned long) host);

if (is2440) {
host->sdiimsk = S3C2440_SDIIMSK;
host->sdidata = S3C2440_SDIDATA;
host->clk_div = 1;
} else {
host->sdiimsk = S3C2410_SDIIMSK;
host->sdidata = S3C2410_SDIDATA;
host->clk_div = 2;
}

host->complete_what = COMPLETION_NONE;
host->pio_active = XFER_NONE;

/* 板级数据可以决定是否使用DMA，也可以通过配置来决定*/
#ifdef CONFIG_MMC_S3C_PIODMA
host->dodma = host->pdata->use_dma;
#endif

/* 获取寄存器资源*/
host->mem = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);
if (!host->mem) {
dev_err(&pdev->dev,
"failed to get io memory region resource.\n");

ret = -ENOENT;
goto probe_free_gpio;
}
/* 申请IO内存空间*/
host->mem = request_mem_region(host->mem->start,
         resource_size(host->mem), pdev->name);

if (!host->mem) {
dev_err(&pdev->dev, "failed to request io memory region.\n");
ret = -ENOENT;
goto probe_free_gpio;
}

/* 映射寄存器*/
host->base = ioremap(host->mem->start, resource_size(host->mem));
if (!host->base) {
dev_err(&pdev->dev, "failed to ioremap() io memory region.\n");
ret = -EINVAL;
goto probe_free_mem_region;
}

/*获取IRQ */
host->irq = platform_get_irq(pdev, 0);
if (host->irq == 0) {
dev_err(&pdev->dev, "failed to get interrupt resource.\n");
ret = -EINVAL;
goto probe_iounmap;
}

/* 注册IRQ*/
if (request_irq(host->irq, s3cmci_irq, 0, DRIVER_NAME, host)) {
dev_err(&pdev->dev, "failed to request mci interrupt.\n");
ret = -ENOENT;
goto probe_iounmap;
}

/* We get spurious interrupts even when we have set the IMSK
   * register to ignore everything, so use disable_irq() to make
   * ensure we don't lock the system with un-serviceable requests. */

/* 禁止中断并设置中断状态*/
disable_irq(host->irq);
host->irq_state = false;

/* 使用detect功能，则申请gpio */
if (!host->pdata->no_detect) {
ret = gpio_request(host->pdata->gpio_detect, "s3cmci detect");
if (ret) {
dev_err(&pdev->dev, "failed to get detect gpio\n");
goto probe_free_irq;
}
/* 根据gpio获取中断号*/
host->irq_cd = gpio_to_irq(host->pdata->gpio_detect);

/* 中断号有效则注册该中断*/
if (host->irq_cd >= 0) {
if (request_irq(host->irq_cd, s3cmci_irq_cd,
IRQF_TRIGGER_RISING |
IRQF_TRIGGER_FALLING,
DRIVER_NAME, host)) {
dev_err(&pdev->dev,
"can't get card detect irq.\n");
ret = -ENOENT;
goto probe_free_gpio_cd;
}
} else {
dev_warn(&pdev->dev,
   "host detect has no irq available\n");
gpio_direction_input(host->pdata->gpio_detect);
}
} else
host->irq_cd = -1;

/* 使用wprotect功能，则申请gpio */
if (!host->pdata->no_wprotect) {
ret = gpio_request(host->pdata->gpio_wprotect, "s3cmci wp");
if (ret) {
dev_err(&pdev->dev, "failed to get writeprotect\n");
goto probe_free_irq_cd;
}

gpio_direction_input(host->pdata->gpio_wprotect);
}

/* depending on the dma state, get a dma channel to use. */

/* 如果使用DMA则申请相应的物理DMA通道*/
if (s3cmci_host_usedma(host)) {
/* 返回值为通道号*/
host->dma = s3c2410_dma_request(DMACH_SDI, &s3cmci_dma_client,
host);
if (host->dma < 0) {
/* DMA申请失败，尝试使用IO操作*/
dev_err(&pdev->dev, "cannot get DMA channel.\n");
if (!s3cmci_host_canpio()) {
ret = -EBUSY;
goto probe_free_gpio_wp;
} else {
dev_warn(&pdev->dev, "falling back to PIO.\n");
host->dodma = 0; /* 表示不使用DMA?/
}
}
}
/* 获取clk*/
host->clk = clk_get(&pdev->dev, "sdi");
if (IS_ERR(host->clk)) {
dev_err(&pdev->dev, "failed to find clock source.\n");
ret = PTR_ERR(host->clk);
host->clk = NULL;
goto probe_free_dma;
}

/*使能clk*/
ret = clk_enable(host->clk);
if (ret) {
dev_err(&pdev->dev, "failed to enable clock source.\n");
goto clk_free;
}

host->clk_rate = clk_get_rate(host->clk);  /* 保存时钟频率*/

/*开始初始化mmc当中的字段*/
mmc->ops = &s3cmci_ops;  /* 给出控制器operation函数集*/
mmc->ocr_avail = MMC_VDD_32_33 | MMC_VDD_33_34;
#ifdef CONFIG_MMC_S3C_HW_SDIO_IRQ
mmc->caps = MMC_CAP_4_BIT_DATA | MMC_CAP_SDIO_IRQ;
#else
mmc->caps = MMC_CAP_4_BIT_DATA;
#endif
/* 计算最大和最小的工作频率*/
mmc->f_min = host->clk_rate / (host->clk_div * 256);
mmc->f_max = host->clk_rate / host->clk_div;

if (host->pdata->ocr_avail)
mmc->ocr_avail = host->pdata->ocr_avail;

mmc->max_blk_count = 4095; /* 一个请求的最大block数*/
mmc->max_blk_size = 4095; /* block的最大容量*/
mmc->max_req_size = 4095 * 512;  /* 一个请求的最大字节数*/
mmc->max_seg_size = mmc->max_req_size;

mmc->max_segs = 128;

dbg(host, dbg_debug,
      "probe: mode:%s mapped mci_base:%p irq:%u irq_cd:%u dma:%u.\n",
      (host->is2440?"2440":""),
      host->base, host->irq, host->irq_cd, host->dma);

ret = s3cmci_cpufreq_register(host);
if (ret) {
dev_err(&pdev->dev, "failed to register cpufreq\n");
goto free_dmabuf;
}

/* 注册该mmc 控制器到子系统中*/
ret = mmc_add_host(mmc);
if (ret) {
dev_err(&pdev->dev, "failed to add mmc host.\n");
goto free_cpufreq;
}

s3cmci_debugfs_attach(host);

/* 设置驱动数据*/
platform_set_drvdata(pdev, mmc);
dev_info(&pdev->dev, "%s - using %s, %s SDIO IRQ\n", mmc_hostname(mmc),
   s3cmci_host_usedma(host) ? "dma" : "pio",
   mmc->caps & MMC_CAP_SDIO_IRQ ? "hw" : "sw");

return 0;

free_cpufreq:
s3cmci_cpufreq_deregister(host);

free_dmabuf:
clk_disable(host->clk);

clk_free:
clk_put(host->clk);

probe_free_dma:
if (s3cmci_host_usedma(host))
s3c2410_dma_free(host->dma, &s3cmci_dma_client);

probe_free_gpio_wp:
if (!host->pdata->no_wprotect)
gpio_free(host->pdata->gpio_wprotect);

probe_free_gpio_cd:
if (!host->pdata->no_detect)
gpio_free(host->pdata->gpio_detect);

probe_free_irq_cd:
if (host->irq_cd >= 0)
free_irq(host->irq_cd, host);

probe_free_irq:
free_irq(host->irq, host);

probe_iounmap:
iounmap(host->base);

probe_free_mem_region:
release_mem_region(host->mem->start, resource_size(host->mem));

probe_free_gpio:
for (i = S3C2410_GPE(5); i <= S3C2410_GPE(10); i++)
gpio_free(i);

probe_free_host:
mmc_free_host(mmc);

probe_out:
return ret;
}

  这个函数想当的长，差不多300行，我们来简要分析下：
第一步，该函数首先调用mmc_alloc_host分配了struct mmc_host和truct s3cmci_host和两个结构体的内存空间，其中前者包含后者，而后者有一个指针指向前者。

该函数的详细的实现如下：

/**
* mmc_alloc_host - initialise the per-host structure.
* @extra: sizeof private data structure
* @dev: pointer to host device model structure
*
* Initialise the per-host structure.
*/
struct mmc_host *mmc_alloc_host(int extra, struct device *dev)
{
int err;
struct mmc_host *host;

host = kzalloc(sizeof(struct mmc_host) + extra, GFP_KERNEL);
if (!host)
return NULL;

/* scanning will be enabled when we're ready */
host->rescan_disable = 1;
idr_preload(GFP_KERNEL);
/* 获取一个idr，通过自旋锁进行互斥保护*/
spin_lock(&mmc_host_lock);
err = idr_alloc(&mmc_host_idr, host, 0, 0, GFP_NOWAIT);
if (err >= 0)
host->index = err;
spin_unlock(&mmc_host_lock);
idr_preload_end();
if (err < 0)
goto free;

/* 设置设备名*/
dev_set_name(&host->class_dev, "mmc%d", host->index);

host->parent = dev;
host->class_dev.parent = dev; /* 设置父设备*/
host->class_dev.class = &mmc_host_class;  /* 设置设备所属的类*/
device_initialize(&host->class_dev);

mmc_host_clk_init(host);

mutex_init(&host->slot.lock);
host->slot.cd_irq = -EINVAL;

spin_lock_init(&host->lock);
init_waitqueue_head(&host->wq);
INIT_DELAYED_WORK(&host->detect, mmc_rescan); /* 创建延时工作队列*/
#ifdef CONFIG_PM
host->pm_notify.notifier_call = mmc_pm_notify; /* 通知链回调函数*/
#endif

/*
   * By default, hosts do not support SGIO or large requests.
   * They have to set these according to their abilities.
   */
host->max_segs = 1;
host->max_seg_size = PAGE_CACHE_SIZE;

host->max_req_size = PAGE_CACHE_SIZE;
host->max_blk_size = 512;
host->max_blk_count = PAGE_CACHE_SIZE / 512;

return host;

free:
kfree(host);
return NULL;
}

EXPORT_SYMBOL(mmc_alloc_host);
其大致过程如下：分配相应的结构体，设置标志位rescan_disable为1，表示禁止扫描SD卡。
                     随后利用idr分配了一个编号给该MMC控制器，并初始化了MMC控制器设备对象（device），

                     初始化了控制器时钟信息。

                     很重要的一步，初始化了一个工作（host->detect）为mmc_rescan，该函数将负责执行对SD卡的扫描，该函数将在后面描述。

                     最后，初始化了MMC控制器的访问块大小的能力。

第二步，根据控制器所使用的引脚，向gpio子系统申请该引脚。

第三步，获取板级设备信息（pdev->dev.platform_data），并初始化struct s3cmci_host中的一些字段。

第四步，控制器驱动决定时候需要使用DMA进行传输（host->dodma）。

第五步，和其他驱动一样，获得寄存器空间，申请IO内存，并完成映射工作。

第六步，和其他驱动一样，获取IRQ号，并注册该irq，中断服务程序（ISR）为s3cmci_irq函数，并且关闭中断。

第七步，根据板级设备信息，判断是否使用探测（detect）功能，如果使用则向gpio子系统申请该引脚，并为该gpio注册中断服务程序。

            中断服务程序为s3cmci_irq_cd函数，上下沿有效，该函数就是用来判断SD卡是否插入卡槽中的。。

第八步，根据板级设备信息，判断是否使用写保护（no_wprotect）功能，如果使用则向gpio子系统申请该引脚。

第九步，如果使用DMA传输，则对DMA进行相关的初始化工作。

第十步，获取clk，并使能，然后获取时钟速率。

第十一步，设置控制器的访问函数集为s3cmci_ops，该结构体包括了MMC控制器行为的抽象，非常重要，我们来看下：

static struct mmc_host_ops s3cmci_ops = {
.request = s3cmci_request,
.set_ios = s3cmci_set_ios,
.get_ro = s3cmci_get_ro, /* 判断是否只读*/
.get_cd = s3cmci_card_present, /* 判断card是否存在*/
.enable_sdio_irq = s3cmci_enable_sdio_irq,
};
struct mmc_host_ops其中包含了很多MMC控制器行为的抽象，S3C2440的MMC控制器驱动只使用了5个，功能如下：
第一个是请求函数，用于向SD卡发送命令，并获取应答。

第二个用于设置MMC控制器参数。

第三个用于判断SD卡是否为只读。

第四个用于判断SD卡是否在卡槽内。

第五个用户使能sdio中断。

接下来开始初始化struct mmc_host 结构体里的字段，这些字段的具体含义就不细说了。

第十二步，调用s3cmci_cpufreq_register注册一个通知链，有关通知链的东西就不在这里赘述了。

第十三步，调用mmc_add_host注册MMC控制器，该函数将在1.2小结叙说。

第十三步，调用s3cmci_debugfs_attach向debuf文件系统注册有关访问接口，debugfs有关的我们就略过了。

第十四步，保存mmc至驱动的私有平台数据中（dpev->dev->p->driver_data）。

作为MMC控制器的probe方法，自然而然的需要注册MMC控制器，从上面我们可以看到在进行大量的初始化工作后，最终在第十三步注册该控制器驱动。

下以小结我们来看看这个函数干了点什么。

1.2 函数mmc_add_host的使命
下列代码位于：linux/drivers/mmc/core/host.c

/**
* mmc_add_host - initialise host hardware
* @host: mmc host
*
* Register the host with the driver model. The host must be
* prepared to start servicing requests before this function
* completes.
*/
int mmc_add_host(struct mmc_host *host)
{
int err;

WARN_ON((host->caps & MMC_CAP_SDIO_IRQ) &&
!host->ops->enable_sdio_irq);

/* 注册控制器设备实例*/
err = device_add(&host->class_dev);
if (err)
return err;

/* 注册一个led trigger*/
led_trigger_register_simple(dev_name(&host->class_dev), &host->led);

#ifdef CONFIG_DEBUG_FS
mmc_add_host_debugfs(host);
#endif
mmc_host_clk_sysfs_init(host);

mmc_start_host(host);

/* 注册一个通知链*/
register_pm_notifier(&host->pm_notify);

return 0;
}

EXPORT_SYMBOL(mmc_add_host);

该函数首先调用device_add注册了一个设备实例，随后注册了一个led trigger。
并调用mmc_host_clk_sysfs_init，后者利用sysfs向用户提供了门控相关的信息，

接着调用mmc_start_host来启动MMC控制器的时钟，并且判断SD卡是否已在卡槽中。

最后，调用register_pm_notifier向注册了一个用于电源管理的通知链。

很明显，这里调用的5个函数，我们需要关心的是mmc_start_host函数。

void mmc_start_host(struct mmc_host *host)
{
host->f_init = max(freqs[0], host->f_min);
host->rescan_disable = 0;
/* 必须重新scan才能上电，则关闭mmc控制器*/
if (host->caps2 & MMC_CAP2_NO_PRESCAN_POWERUP)
mmc_power_off(host); /* 关闭MMC控制器*/
else
mmc_power_up(host); /* 打卡MMC控制器*/
mmc_detect_change(host, 0);
}
MMC_CAP2_NO_PRESCAN_POWERUP 表示需要在上电前扫面SD卡，
如果定义了该宏，则需要关闭MMC控制器的电压，否则打开电源，该宏默认是不定义的。

mmc_power_up函数还是比较复杂的，不过它不是我们关心的重点，简单说句，该函数最后会调用在1.1小结中MMC控制器的抽象行为函数中的

set_ios来使能MMC控制器的电源。

该函数最后调用mmc_detect_change来探测SD卡是否存在。

/**
* mmc_detect_change - process change of state on a MMC socket
* @host: host which changed state.
* @delay: optional delay to wait before detection (jiffies)
*
* MMC drivers should call this when they detect a card has been
* inserted or removed. The MMC layer will confirm that any
* present card is still functional, and initialize any newly
* inserted.
*/
void mmc_detect_change(struct mmc_host *host, unsigned long delay)
{
#ifdef CONFIG_MMC_DEBUG
unsigned long flags;
spin_lock_irqsave(&host->lock, flags);
WARN_ON(host->removed);
spin_unlock_irqrestore(&host->lock, flags);
#endif
host->detect_change = 1;
mmc_schedule_delayed_work(&host->detect, delay);
}

最开始的宏中的代码可以直接略过了。
将标志位detect_change置1后，函数紧接着调用了mmc_schedule_delayed_work函数，该函数如下：
/*
* Internal function. Schedule delayed work in the MMC work queue.
*/
static int mmc_schedule_delayed_work(struct delayed_work *work,
      unsigned long delay)
{
return queue_delayed_work(workqueue, work, delay);
}

该函数简单调用了queue_delayed_work来添加一个工作到工作队列workqueue中。
在基于S3C2440的嵌入式Linux驱动——MMC/SD子系统解读(一)中的第三章，MMC子系统在初始化时就注册了一个工作队列，并保存到全局变量workqueue中，

同时函数将detect工作添加到了该工作队列中，而detect工作的执行函数即为在1.1中分析时说道的mmc_rescan函数。

因此该函数的作用就是将detec表示的工作函数mmc_rescan添加到了工作队列中。

创建完工作队列后，mmc_start_host函数的使命也算结束了，它的存在极其短暂，但是它却调用了一个非常关键的函数mmc_detect_change，

后者创建的工作函数mmc_rescan将会扫描是否有SD卡插入。

2. SD卡扫描函数mmc_rescan
整个mmc_rescan函数执行分为两个部分。

第一部分，探测SD卡是否存在。

第二部分，按照SD规范，初始化SD卡。

2.1 detect SD卡
下列代码位于：linux/drivers/mmc/core/core.c

void mmc_rescan(struct work_struct *work)
{
struct mmc_host *host =
container_of(work, struct mmc_host, detect.work);
int i;

/* host禁止再次scan，则直接返回*/
if (host->rescan_disable)
return;

/* If there is a non-removable card registered, only scan once */
/* 是不可插拔的sd卡，则只scan一次*/
if ((host->caps & MMC_CAP_NONREMOVABLE) && host->rescan_entered)
return;
host->rescan_entered = 1;  /* 表示至少scan一次了*/

mmc_bus_get(host); /* 增加总线引用技术*/

/*
   * if there is a _removable_ card registered, check whether it is
   * still present
   */
   /* 如果总线提供detect方法则调用*/
if (host->bus_ops && host->bus_ops->detect && !host->bus_dead
      && !(host->caps & MMC_CAP_NONREMOVABLE))
host->bus_ops->detect(host);

host->detect_change = 0;

/*
   * Let mmc_bus_put() free the bus/bus_ops if we've found that
   * the card is no longer present.
   */
mmc_bus_put(host); /* 减少总线引用技术*/
mmc_bus_get(host);

/* if there still is a card present, stop here */
/* 有card存在，无需继续了*/
if (host->bus_ops != NULL) {
mmc_bus_put(host);
goto out;
}

/*
   * Only we can add a new handler, so it's safe to
   * release the lock here.
   */
mmc_bus_put(host);

/* 调用get_cd方法，判断card是否存在*/
if (host->ops->get_cd && host->ops->get_cd(host) == 0) {
mmc_claim_host(host);
mmc_power_off(host);
mmc_release_host(host);
goto out;
}

mmc_claim_host(host);
/**/
for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(freqs); i++) {
if (!mmc_rescan_try_freq(host, max(freqs[i], host->f_min)))
break;
if (freqs[i] <= host->f_min)
break;
}
mmc_release_host(host);

out:
/* 如果需要再次扫描*/
if (host->caps & MMC_CAP_NEEDS_POLL)
mmc_schedule_delayed_work(&host->detect, HZ);
}

该函数首先判断rescan_disable是否为真，如果为真则不用扫描SD卡，直接推出了。
在mmc_start_host时，该变量被置为0，因此这里函数不返回，程序继续往下走。

youOK · 发表于 2020-6-5 18:04

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基于S3C2440的嵌入式Linux驱动——MMC/SD子系统解读(二)

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