浪莎淘金----Linux设备驱动子系统

haidaowang · 发表于 2019-12-5 10:13

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Linux设备驱动子系统

1. 总论
2. 主控制器
3. 协议层
4. 块设备

1. 总论

1.1 概念

MMC - MultiMedia Card
SD - Secure Digital Card
2 L5 A6 M! s; n4 S; I6 L6 A

1.2 分类

按存储大小，普通SD卡（<=2GB，支持FAT12/FAT16），HCSD卡(>2GB,<=32GB，支持FAT32)
按体积大小，普通SD卡，mini-SD卡，micro-SD卡（TF卡）4 r2 S Z8 m" u0 s' |

1.3 速度

默认模式: 12.5MB/s
高速模式: 25MB/s
( S3 q# f/ f1 T" U; h/ k

( {  f$ i, o( B. d5 ]1.4 子系统代码结构

   Linux源码里/drivers/mmc下有三个文件夹，分别存放了SD块设备，核心层和SD主控制器的相关代码，可以通过Kconfig和Makefile获取更多信息。

2. 主控制器

SD卡的控制器芯片，可以看成CPU的代言人，它为CPU分担了完成与SD卡数据通信的任务。

2.1 数据结构

   以PXA芯片的SD控制器驱动为例，

struct pxamci_host {
struct mmc_host  *mmc;

struct mmc_request *mrq;
struct mmc_command *cmd;
struct mmc_data  *data;

... ...
};

2.1.1 struct mmc_host

   结构体mmc_host定义于/include/linux/mmc/host.c，可以认为是linux为SD卡控制器专门准备的一个类，该类里面的成员是所有SD卡控制器都需要的，放之四海而皆准的数据结构，而在PXA芯片控制器的驱动程序pxamci.c中，则为该类具体化了一个对象struct mmc_host *mmc，此mmc指针即指代着该PXA芯片SD卡控制器的一个具体化对象。

struct mmc_host {
const struct mmc_host_ops *ops;    // SD卡主控制器的操作函数，即该控制器所具备的驱动能力

const struct mmc_bus_ops *bus_ops; // SD总线驱动的操作函数，即SD总线所具备的驱动能力

struct mmc_ios  ios;  // 配置时钟、总线、电源、片选、时序等

struct mmc_card  *card;  // 连接到此主控制器的SD卡设备
... ...
};

struct mmc_host_ops {
void (*request)(struct mmc_host *host, struct mmc_request *req);  // 核心函数，完成主控制器与SD卡设备之间的数据通信
void (*set_ios)(struct mmc_host *host, struct mmc_ios *ios);  // 配置时钟、总线、电源、片选、时序等
int (*get_ro)(struct mmc_host *host);
void (*enable_sdio_irq)(struct mmc_host *host, int enable);
};

struct mmc_bus_ops {
void (*remove)(struct mmc_host *); // 拔出SD卡的回调函数
void (*detect)(struct mmc_host *);    // 探测SD卡是否还在SD总线上的回调函数
void (*suspend)(struct mmc_host *);
void (*resume)(struct mmc_host *);
};

struct mmc_card {
struct mmc_host  *host;  /* the host this device belongs to */
struct device  dev;  /* the device */
unsigned int  rca;  /* relative card address of device */
unsigned int  type;  /* card type */
unsigned int  state;  /* (our) card state */
unsigned int  quirks;  /* card quirks */

u32 raw_cid[4]; /* raw card CID */
u32 raw_csd[4]; /* raw card CSD */
u32 raw_scr[2]; /* raw card SCR */
struct mmc_cid  cid;  /* card identification */
struct mmc_csd  csd;  /* card specific */
struct mmc_ext_csd ext_csd; /* mmc v4 extended card specific */
struct sd_scr  scr;  /* extra SD information */
struct sd_switch_caps sw_caps; /* switch (CMD6) caps */

unsigned int  sdio_funcs; /* number of SDIO functions */
struct sdio_cccr cccr;  /* common card info */
struct sdio_cis  cis;  /* common tuple info */
... ...
};
mmc_card结构体内的数据结构主要存放SD卡的信息，其中RCA, CID, CSD, SCR为SD卡内部的32位寄存器。

2.1.2 struct mmc_request

   结构体mmc_request定义于/include/linux/mmc/core.h，它主要存放两大数据结构的指针，分别是cmd和data，顾名思意，一个为指令，一个为数据，也就是说，mmc_request结构体存放了进行主控制器与sd卡间通信所需要的指令和数据，struct mmc_request, struct mmc_command *cmd, struct mmc_data *data三者之间的关系如下所示，

struct mmc_request {
struct mmc_command *cmd;
struct mmc_data  *data;
struct mmc_command *stop;

void *done_data; /* completion data */
void (*done)(struct mmc_request *);/* completion function */
};

说到结构体mmc_command和mmc_data，就必须说说SD卡的协议了。

1) 物理结构

   SD卡有9个pin脚（micro-SD为8个，少一个接地pin脚），如图所示，

SD的数据传输方式有两种，普通SD模式和SPI模式，以SD模式为例，9个pin脚分别是VDD,VSS,CLK，以及我们需要关注的一根指令线CMD，4根数据线DAT0~DAT3。

2) 传输模式

首先由主机向SD卡发送命令command，等待SD卡的回复response，如果成功收到回复，则进行数据传输。其中，指令线和数据线上传输的指令和数据都要遵循相应的协议格式。

3) 指令格式



一条指令command共48位，其中command index指代这条具体的指令名称，argument为该指令的参数。

一条回复response根据不同的指令有几种不同类型。

struct mmc_command {
u32 opcode;          // 对应command index
u32 arg;                // 对应argument
u32 resp[4];          // 对应response
unsigned int  flags;  /* expected response type */

... ...

unsigned int  retries; /* max number of retries */
unsigned int  error;  /* command error */

struct mmc_data  *data;  /* data segment associated with cmd */
struct mmc_request *mrq;  /* associated request */
};

4) 数据格式

数据传输按数据线可分为一线传输和四线传输，按数据大小可分为字节传输和块传输（512字节）。

struct mmc_data {
unsigned int  timeout_ns; /* data timeout (in ns, max 80ms) */
unsigned int  timeout_clks; /* data timeout (in clocks) */
unsigned int  blksz;  /* data block size */
unsigned int  blocks;  /* number of blocks */
unsigned int  error;  /* data error */
unsigned int  flags;

#define MMC_DATA_WRITE (1 << 8)
#define MMC_DATA_READ (1 << 9)
#define MMC_DATA_STREAM (1 << 10)

unsigned int  bytes_xfered;

struct mmc_command *stop;  /* stop command */
struct mmc_request *mrq;  /* associated request */

unsigned int  sg_len;  /* size of scatter list */
struct scatterlist *sg;  /* I/O scatter list */
};

2.2 驱动程序

系统初始化时扫描platform总线上是否有名为该SD主控制器名字"pxa2xx-mci"的设备，如果有，驱动程序将主控制器挂载到platform总线上，并注册该驱动程序。

static int __init pxamci_init(void)
{

  return platform_driver_register(&pxamci_driver);
}

static struct platform_driver pxamci_driver = {
.probe  = pxamci_probe,
.remove  = pxamci_remove,
.suspend = pxamci_suspend,
.resume  = pxamci_resume,
.driver  = {
  .name = “pxa2xx-mci”,
  .owner = THIS_MODULE,
},
};

其中，remove为probe的反操作，suspend和resume涉及电源管理的内容，本文重点讨论probe。

SD主控制器驱动程序的初始化函数probe(struct platform_device *pdev)，概括地讲，主要完成五大任务，

初始化设备的数据结构，并将数据挂载到pdev->dev.driver_data下
实现设备驱动的功能函数，如mmc->ops = &pxamci_ops;
申请中断函数request_irq()
注册设备，即注册kobject，建立sys文件，发送uevent等
其他需求，如在/proc/driver下建立用户交互文件等
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2.2.1 注册设备

对于设备的注册，所有设备驱动的相关代码都类似。

static int pxamci_probe(struct platform_device *pdev)

{

  mmc = mmc_alloc_host(sizeof(struct pxamci_host), &pdev->dev);

  mmc_add_host(mmc);

  ... ...

}

这两个函数都由/drivers/mmc/core核心层下的host.c负责具体实现，

1) mmc_alloc_host

为主设备控制器建立数据结构，建立kobject，并初始化等待队列，工作队列，以及一些控制器的配置。其中，INIT_DELAYED_WORK(&host->detect, mmc_rescan);将探测SD卡的函数mmc_rescan与工作队列host->detect关联，mmc_rescan是整个SD子系统的核心函数，本文第三部分协议层将对它作重点讨论。

struct mmc_host *mmc_alloc_host(int extra, struct device *dev)
{

/* 建立数据结构 */

struct mmc_host *host;

host = kzalloc(sizeof(struct mmc_host) + extra, GFP_KERNEL);

/* 建立kobject */

host->parent = dev;
host->class_dev.parent = dev;
host->class_dev.class = &mmc_host_class;
device_initialize(&host->class_dev);

/* 初始化等待队列，工作队列 */

init_waitqueue_head(&host->wq);
INIT_DELAYED_WORK(&host->detect,mmc_rescan);

/* 配置控制器 */

host->max_hw_segs = 1;
host->max_phys_segs = 1;

... ...
return host;
}

2) mmc_add_host

完成kobject的注册，并调用mmc_rescan，目的在于在系统初始化的时候就扫描SD总线查看是否存在SD卡。注意到这里的工作队列的延时时间delay为0，因为系统启动的时候不考虑插拔SD卡，关于这个delay将在下文讨论。

int mmc_add_host(struct mmc_host *host)
{
  device_add(&host->class_dev);
  mmc_start_host(host);

  ... ...

}

void mmc_start_host(struct mmc_host *host)
{
mmc_power_off(host);
mmc_detect_change(host, 0);
}

void mmc_detect_change(struct mmc_host *host, unsigned long delay)
{
mmc_schedule_delayed_work(&host->detect, delay);
}

static int mmc_schedule_delayed_work(struct delayed_work *work, unsigned long delay)
{
wake_lock_timeout(&mmc_delayed_work_wake_lock, HZ * 2);
return queue_delayed_work(workqueue,work, delay);
}

2.2.2 为设备赋初值
其实，整个设备驱动的probe()函数，其本质就是是为设备建立起数据结构并对其赋初值。pxamci_probe(struct platform_device *pdev)主要为SD主控制器完成时钟、存储等方面的初始化配置，
static int pxamci_probe(struct platform_device *pdev)
{
struct mmc_host *mmc;
struct pxamci_host *host = NULL;

mmc->ops = &pxamci_ops;
mmc->max_phys_segs = NR_SG;
mmc->max_hw_segs = NR_SG;
mmc->max_seg_size = PAGE_SIZE;
host = mmc_priv(mmc);
host->mmc = mmc;
host->dma = -1;
host->pdata = pdev->dev.platform_data;
host->clkrt = CLKRT_OFF;
host->clk = clk_get(&pdev->dev, "MMCCLK");
host->clkrate = clk_get_rate(host->clk);
mmc->caps |= MMC_CAP_MMC_HIGHSPEED | MMC_CAP_SD_HIGHSPEED;
host->sg_cpu = dma_alloc_coherent(&pdev->dev, PAGE_SIZE, &host->sg_dma, GFP_KERNEL);
host->dma = pxa_request_dma(DRIVER_NAME, DMA_PRIO_LOW, pxamci_dma_irq, host);
... ...
}
完成所有赋值后，通过platform_set_drvdata(pdev, mmc);将数据挂载到pdev->dev.driver_data。
所有赋值中，我们重点关注从platform_device *pdev里得到的数据。platform_device *pdev是在系统初始化的时候扫描platform总线发现SD主控制器后所得到的数据。
1) 得到platform_data数据
先看看platform_device的结构，
struct platform_device {
const char * name;
int  id;
struct device dev;
u32  num_resources;
struct resource * resource;
};
系统初始化的时候，已经为该SD主控制器的name, resources等赋上了初值，具体内容如下，
struct platform_device pxa_device_mci = {
.name  = "pxa2xx-mci",
.id  = 0,
.dev  = {
  .dma_mask = &pxamci_dmamask,
  .coherent_dma_mask = 0xffffffff,
},
.num_resources = ARRAY_SIZE(pxamci_resources),
.resource = pxamci_resources,
};
static structresource pxamci_resources[] = {
[0] = {
  .start = 0x41100000,
  .end = 0x41100fff,
  .flags = IORESOURCE_MEM,  // SD主控制器芯片的起始地址
},
[1] = {
  .start = IRQ_MMC,       /* #define IRQ_MMC  23 */
  .end = IRQ_MMC,
  .flags = IORESOURCE_IRQ,  // 申请的中断号
},
... ...
};
  需要注意的是，platform_device数据结构里的name, id, resource等是所有设备都用的到的数据类型，那么设备自身独有的特性如何表现出来呢？事实上，结构体device专门准备了一个成员platform_data，就是为了挂载设备的一些特有的数据。(注意与driver_data相区别)
structdevice {
  void  *platform_data; /* Platform specific data, device core doesn't touch it */
  void  *driver_data; /* data private to the driver */
  ... ...
}
  看看SD主控制器为什么会有这些特有数据，
static struct pxamci_platform_data saar_mci_platform_data = {
.detect_delay = 50,
.ocr_mask = MMC_VDD_32_33|MMC_VDD_33_34,
.init = saar_mci_init,
.exit  = saar_mci_exit,
};
-> detect_delay
就是刚才提到的工作队列的延时时间，设置为50ms，由于各种SD主控制器芯片的性能不同，这个值可能会变化。那么为什么要为工作队列加一个延迟呢？首先，当插入SD卡之后，SD主控制器上的探测引脚会产生一个中断，之后调用中断函数里的工作队列，然后执行工作队列里的mmc_rescan去扫描SD 卡，为SD卡上电，发送地址，注册驱动等。考虑到插入SD卡需要一个短时间的过程(有个弹簧卡槽固定住SD卡)，如果没有延迟，那么插入SD卡的一瞬间，SD卡还没有完全固定到主板上，系统就开始执行mmc_rescan，那么就很有可能在为SD 卡上电、发送地址的过程中出现错误(拔出SD卡同理)，因此，必须要有detect_delay这个值。

-> saar_mci_init
这个函数为SD主控制器的探测pin脚申请中断，具体内容将在下文中断的一节中讨论。
static int saar_mci_init(struct device *dev, irq_handler_t saar_detect_int, void *data)
{
struct platform_device *pdev = to_platform_device(dev);
int cd_irq, gpio_cd;  // cd - card detect

saar_mmc_slot[0].gpio_cd  = mfp_to_gpio(MFP_PIN_GPIO61);  // 将GPIO61设为普通GPIO口
cd_irq =gpio_to_irq(saar_mmc_slot[pdev->id].gpio_cd); // 将GPIO61转换为中断号
gpio_request(gpio_cd, "mmc card detect");  // 申请GPIO61
gpio_direction_input(gpio_cd);  // 将GPIO61设为输入类型
request_irq(cd_irq, saar_detect_int, IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING, "MMC card detect", data);
... ...
}
得到SD主控制器特有数据后，将其挂载到dev.platform_data下，并最终完成对platform_device *dev的注册。
void __init pxa_register_device(struct platform_device *dev, void *data)
{
dev->dev.platform_data = data;
platform_device_register(dev);
}
2) 使用platform_data数据
  下面就看看SD主控制器是如何使用这些在系统初始化的时候就已经得到的platform_device的数据的，
static int pxamci_probe(struct platform_device *pdev)
{
struct mmc_host *mmc;
struct pxamci_host *host = NULL;
struct resource *r;
int ret, irq;
r =platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0); // 得到控制器芯片的起始地址
r = request_mem_region(r->start, SZ_4K, DRIVER_NAME); // 为芯片申请4k的内存空间
irq =platform_get_irq(pdev, 0);  // 得到芯片的中断号
host->res = r;
host->irq = irq;
host->base = ioremap(r->start, SZ_4K);// 将芯片的物理地址映射为虚拟地址
... ...
}

2.2.3 设备驱动的功能函数

一般情况下，设备驱动里都有一个行为函数结构体，比如字符设备驱动里的struct file_operations *fops，该结构描述了设备所具备的工作能力，比如open, read, write等，
struct file_operations {
struct module *owner;
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
int (*open) (struct inode *, struct file *);
... ...
};
  同理，SD主控制器驱动程序里也有一个类似的结构struct mmc_host_ops *ops，它描述了该控制器所具备驱动的能力。
static int pxamci_probe(struct platform_device *pdev)
{
  mmc->ops = &pxamci_ops;
  ... ...
}
static const struct mmc_host_ops pxamci_ops = {
.request  = pxamci_request,
.get_ro = pxamci_get_ro,
.set_ios  = pxamci_set_ios,
.enable_sdio_irq = pxamci_enable_sdio_irq,
};
其中，(*set_ios)为主控制器设置总线和时钟等配置，(*get_ro)得到只读属性，(*enable_sdio_irq)开启sdio中断，本文重点讨论(*request)这个回调函数，它是整个SD主控制器驱动的核心，实现了SD主控制器能与SD卡进行通信的能力。
static void pxamci_request(struct mmc_host *mmc, struct mmc_request *mrq)
{
struct pxamci_host *host = mmc_priv(mmc); unsigned int cmdat;

set_mmc_cken(host, 1);
host->mrq = mrq;
cmdat = host->cmdat;
host->cmdat &= ~CMDAT_INIT;
if (mrq->data) {
  pxamci_setup_data(host, mrq->data);
  cmdat &= ~CMDAT_BUSY;
  cmdat |= CMDAT_DATAEN | CMDAT_DMAEN;
  if (mrq->data->flags & MMC_DATA_WRITE)
cmdat |= CMDAT_WRITE;
  if (mrq->data->flags & MMC_DATA_STREAM)
cmdat |= CMDAT_STREAM;
}
pxamci_start_cmd(host, mrq->cmd, cmdat);
}
其中， pxamci_setup_data()实现数据传输，pxamci_start_cmd()实现指令传输。
至此，我们必须去接触SD主控制器的芯片手册了。

首先，SD主控制器由一系列32位寄存器组成。通过软件的方式，即对寄存器赋值，来控制SD主控制器，进而扮演SD主控制器的角色与SD卡取得通信。

1) cmdat
  根据主控制器的芯片手册，寄存器MMC_CMDAT控制命令和数据的传输，具体内容如下，

结合对寄存器MMC_CMDAT的描述，分析代码，
host->cmdat &= ~CMDAT_INIT;             // 非初始化状态
if (mrq->data) {                                     // 如果存在数据需要传输
  pxamci_setup_data(host, mrq->data);  // 实现主控制器与SD卡之间数据的传输
  cmdat &= ~CMDAT_BUSY;                   // 没有忙碌busy信号
  cmdat |= CMDAT_DATAEN | CMDAT_DMAEN; // 有数据传输，使用DMA
  if (mrq->data->flags & MMC_DATA_WRITE)
cmdat |= CMDAT_WRITE;                            // 设置为写数据
  if (mrq->data->flags & MMC_DATA_STREAM)
cmdat |= CMDAT_STREAM;                            // 设置为数据流stream模式
}
2) pxamci_setup_data  通过DMA实现主控制器与SD卡之间数据的传输
static void pxamci_setup_data(struct pxamci_host *host, struct mmc_data *data)
{
host->data = data;
writel(data->blocks, host->base + MMC_NOB);    // 设置块的数量
writel(data->blksz, host->base + MMC_BLKLEN);  // 设置一个块的大小(一般为512byte)
  if (data->flags & MMC_DATA_READ) {
  host->dma_dir = DMA_FROM_DEVICE;
  dcmd = DCMD_INCTRGADDR | DCMD_FLOWTRG;
  DRCMR(host->dma_drcmrtx) = 0;
  DRCMR(host->dma_drcmrrx) = host->dma | DRCMR_MAPVLD;
} else {
  host->dma_dir = DMA_TO_DEVICE;
  dcmd = DCMD_INCSRCADDR | DCMD_FLOWSRC;
  DRCMR(host->dma_drcmrrx) = 0;
  DRCMR(host->dma_drcmrtx) = host->dma | DRCMR_MAPVLD;
}
dcmd |= DCMD_BURST32 | DCMD_WIDTH1;
host->dma_len = dma_map_sg(mmc_dev(host->mmc), data->sg, data->sg_len, host->dma_dir);
for (i = 0; i < host->dma_len; i++) {
  unsigned int length = sg_dma_len(&data->sg);
  host->sg_cpu.dcmd = dcmd | length;
  if (length & 31)
host->sg_cpu.dcmd |= DCMD_ENDIRQEN;
  if (data->flags & MMC_DATA_READ) {
host->sg_cpu.dsadr = host->res->start + MMC_RXFIFO;
host->sg_cpu.dtadr = sg_dma_address(&data->sg);
  } else {
host->sg_cpu.dsadr = sg_dma_address(&data->sg);
host->sg_cpu.dtadr = host->res->start + MMC_TXFIFO;
  }
  host->sg_cpu.ddadr = host->sg_dma + (i + 1) *
   sizeof(struct pxa_dma_desc);
}
host->sg_cpu[host->dma_len - 1].ddadr = DDADR_STOP;
wmb();
DDADR(host->dma) = host->sg_dma;
DCSR(host->dma) = DCSR_RUN;
}
for()循环里的内容是整个SD卡主控制器设备驱动的实质，通过DMA的方式实现主控制器与SD卡之间数据的读写操作。
3) pxamci_start_cmd  实现主控制器与SD卡之间指令的传输
static void pxamci_start_cmd(struct pxamci_host *host, struct mmc_command *cmd, unsigned int cmdat)
{
host->cmd = cmd;
if (cmd->flags & MMC_RSP_BUSY)
  cmdat |= CMDAT_BUSY;
#define RSP_TYPE(x) ((x) & ~(MMC_RSP_BUSY|MMC_RSP_OPCODE))
switch (RSP_TYPE(mmc_resp_type(cmd))) {
case RSP_TYPE(MMC_RSP_R1): /* r1, r1b, r6, r7 */
  cmdat |= CMDAT_RESP_SHORT;
  break;
case RSP_TYPE(MMC_RSP_R3):
  cmdat |= CMDAT_RESP_R3;
  break;
case RSP_TYPE(MMC_RSP_R2):
  cmdat |= CMDAT_RESP_R2;
  break;
default:
  break;
}
writel(cmd->opcode, host->base + MMC_CMD);
writel(cmd->arg >> 16, host->base + MMC_ARGH);
writel(cmd->arg & 0xffff, host->base + MMC_ARGL);
writel(cmdat, host->base + MMC_CMDAT);
pxamci_start_clock(host);
pxamci_enable_irq(host, END_CMD_RES);
}
-> response类型
  根据SD卡的协议，当SD卡收到从控制器发来的cmd指令后，SD卡会发出response相应，而response的类型分为 R1,R1b,R2,R3,R6,R7，这些类型分别对应不同的指令，各自的数据包结构也不同(具体内容参考SD卡协议)。这里，通过RSP_TYPE对指令cmd的opcode的解析得到相对应的reponse类型，再通过swich赋给寄存器MMC_CMDAT对应的[1:0]位。
-> 将指令和参数写入寄存器
  4行writel()是整个SD卡主控制器设备驱动的实质，通过对主控制器芯片寄存器MMC_CMD,MMC_ARGH,MMC_ARGL,MMC_CMDAT的设置，实现主控制器发送指令到SD卡的功能。
4) 调用(*request)
以上通过pxamci_request()实现了主控制器的通信功能，之后只须通过host->ops->request(host, mrq);回调函数即可。
协议层里，每条指令都会通过mmc_wait_for_req(host, &mrq)调用到host->ops->request(host, mrq)来发送指令和数据。
/* core/core.c */
void mmc_wait_for_req(struct mmc_host *host, struct mmc_request *mrq)
{
DECLARE_COMPLETION_ONSTACK(complete);
mrq->done_data = &complete;
mrq->done = mmc_wait_done;
mmc_start_request(host, mrq);
wait_for_completion(&complete);
}
mmc_start_request(struct mmc_host *host, struct mmc_request *mrq)
{
... ...
host->ops->request(host, mrq);
}

2.2.4 申请中断
  pxamci_probe(struct platform_device *pdev)中有两个中断，一个为SD主控制器芯片内电路固有的内部中断，另一个为探测引脚的探测到外部有SD卡插拔引起的中断。
1) 由主控芯片内部电路引起的中断
request_irq(host->irq,pxamci_irq, 0, "pxa2xx-mci", host);
回顾一下，host->irq就是刚才从platform_device里得到的中断号，
irq = platform_get_irq(pdev, 0);
host->irq = irq;
接下来，pxamci_irq便是为该中断host->irq申请的中断函数，
static irqreturn_t pxamci_irq(int irq, void *devid)
{
struct pxamci_host *host = devid; // 得到主控制器的数据
unsigned int ireg; int handled = 0;
ireg = readl(host->base + MMC_I_REG) & ~readl(host->base + MMC_I_MASK);  // 读取中断寄存器的值
if (ireg) {
  unsigned stat = readl(host->base + MMC_STAT);  // 读取状态寄存器的值
  if (ireg & END_CMD_RES)
handled |= pxamci_cmd_done(host, stat);
  if (ireg & DATA_TRAN_DONE)
handled |= pxamci_data_done(host, stat);
  if (ireg & SDIO_INT) {
mmc_signal_sdio_irq(host->mmc);
  }
}
return IRQ_RETVAL(handled);
}
当调用(*request)，即host->ops->request(host, mrq)，即上文中的pxamci_request()后，控制器与SD卡之间开始进行一次指令或数据传输，通信完毕后，主控芯片将产生一个内部中断，以告知此次指令或数据传输完毕。这个中断的具体值将保存在一个名为MMC_I_REG的中断寄存器中以供读取，中断寄存器MMC_I_REG中相关描述如下，

如果中断寄存器MMC_I_REG中的第0位有值，则意味着数据传输完成，执行pxamci_cmd_done(host, stat);
如果中断寄存器MMC_I_REG中的第2位有值，则意味着指令传输完成，执行pxamci_data_done(host, stat);
其中stat是从状态寄存器MMC_STAT中读取的值，在代码里主要起到处理错误状态的作用。
-> pxamci_cmd_done收到结束指令的内部中断信号，主控制器从SD卡那里得到response，结束这次指令传输
这里需要注意，寄存器MMC_RES里已经存放了来自SD卡发送过来的response，以供读取。
static int pxamci_cmd_done(struct pxamci_host *host, unsigned intstat)
{
struct mmc_command *cmd= host->cmd;
cmd->resp= readl(host->base + MMC_RES) & 0xffff;
if (stat & STAT_TIME_OUT_RESPONSE) {
  cmd->error = -ETIMEDOUT;
} else if (stat & STAT_RES_CRC_ERR && cmd->flags & MMC_RSP_CRC) {
cmd->error = -EILSEQ;
}
pxamci_disable_irq(host, END_CMD_RES);
if (host->data && !cmd->error) {
  pxamci_enable_irq(host, DATA_TRAN_DONE);
} else {
  pxamci_finish_request(host, host->mrq); // 结束一次传输，清空主控制器中的指令和数据
}
return 1;
}
-> pxamci_data_done 收到结束数据的内部中断信号，得到传输数据的大小，结束这次数据传输
static int pxamci_data_done(struct pxamci_host *host, unsigned intstat)
{
struct mmc_data *data = host->data;
DCSR(host->dma) = 0;
dma_unmap_sg(mmc_dev(host->mmc), data->sg, host->dma_len, host->dma_dir);
if (stat & STAT_READ_TIME_OUT)
  data->error = -ETIMEDOUT;
else if (stat & (STAT_CRC_READ_ERROR|STAT_CRC_WRITE_ERROR))
  data->error = -EILSEQ;
if (!data->error)
  data->bytes_xfered = data->blocks * data->blksz;  // 数据传输量=块的数量*每个块的大小(一般为512字节)
else
  data->bytes_xfered = 0;
pxamci_disable_irq(host, DATA_TRAN_DONE);
host->data = NULL;
pxamci_finish_request(host, host->mrq);
... ...
}
static void pxamci_finish_request(struct pxamci_host *host, struct mmc_request *mrq)
{
host->mrq = NULL;
host->cmd = NULL;
host->data = NULL;
mmc_request_done(host->mmc, mrq);
set_mmc_cken(host, 0);
unset_dvfm_constraint();
}
/* drivers/mmc/core/core.c */
void mmc_request_done(struct mmc_host *host, struct mmc_request *mrq)
{
... ...
if (mrq->done)
mrq->done(mrq);
}
这里用到了完成量completion，LDD3上是这样说的，完成量是一个任务的轻量级机制，允许一个线程告知另一个线程工作已经完成。这里的一个线程就是内部中断处理函数，它是结束主控制器与SD卡间通信的线程，通过mrq->done(mrq); 即complete(mrq->done_data);告知另一个线程-回调(*request)实现主控制器与SD卡进行通信的线程，通信已经完毕。
void mmc_wait_for_req(struct mmc_host *host, struct mmc_request *mrq)
{
DECLARE_COMPLETION_ONSTACK(complete);
mrq->done_data = &complete;
mrq->done = mmc_wait_done;
mmc_start_request(host, mrq);
wait_for_completion(&complete);
}
static void mmc_wait_done(struct mmc_request *mrq)
{
complete(mrq->done_data);
}
2) 探测引脚引起的中断

  if (host->pdata && host->pdata->init)
host->pdata->init(&pdev->dev, pxamci_detect_irq, mmc);
该init()回调函数就是刚才提到的系统初始化时通过saar_mci_init()实现的，
static intsaar_mci_init(struct device *dev, irq_handler_tsaar_detect_int, void *data)
{
request_irq(cd_irq, saar_detect_int, IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING, "MMC card detect", data);
... ...
}
其中，cd_irq是通过GPIO转换得到的中断号，pxamci_detect_irq便是该中断实现的函数，之前已经提到过mmc_detect_change，它将最终调用queue_delayed_work执行工作队列里的mmc_rescan函数。
static irqreturn_t pxamci_detect_irq(int irq, void *devid)
{
struct pxamci_host *host = mmc_priv(devid);
mmc_detect_change(devid, host->pdata->detect_delay);
return IRQ_HANDLED;
}
当有SD卡插入或拔出时，硬件主控制器芯片的探测pin脚产生外部中断，进入中断处理函数，执行工作队列里的mmc_rescan，扫描SD总线，对插入或拔出SD卡作相应的处理。下文协议层将讨论mmc_rescan()。

  3. 协议层

Linux在内核源码的drivers/mmc/core文件夹下为我们的提供了一系列SD卡的接口服务函数。可以查看Makefile如下，

可见，core文件夹下有针对总线的服务bus.c，针对主控制器的服务host.c，针对SD卡的服务sd.c, sd_ops.c等等。

其中，最为核心的一个函数便是之前提到的位于core.c的mmc_rescan，概括来讲，主要完成两项任务，即

扫描SD总线，插入SD卡
扫描SD总线，拔出SD卡/ T' R9 t+ f* \4 v) _) ^6 G+ X

3.1 插入SD卡

插入SD卡，主控制器产生中断，进入中断处理函数，处理工作队列，执行mmc_rescan。

void mmc_rescan(struct work_struct *work)
{
struct mmc_host *host = container_of(work, struct mmc_host, detect.work); // 得到mmc_host的数据
/*
  * First we search for SDIO...
  */
err = mmc_send_io_op_cond(host, 0, &ocr);
if (!err) {
  if (mmc_attach_sdio(host, ocr))
mmc_power_off(host);
  goto out;
}

/*
  * ...then normal SD...
  */
err = mmc_send_app_op_cond(host, 0, &ocr);
if (!err) {
  if (mmc_attach_sd(host, ocr))
mmc_power_off(host);
  goto out;
}

/*
  * ...and finally MMC.
  */
err = mmc_send_op_cond(host, 0, &ocr);
if (!err) {
  if (mmc_attach_mmc(host, ocr))
mmc_power_off(host);
  goto out;
}

  ... ...

}

插入SD卡，mmc_rescan扫描SD总线上是否存在SD卡，具体的实现方法就是通过向SD 卡上电，看是否能成功，以普通SD卡为例，为普通SD卡上电的函数mmc_send_app_op_cond(host, 0, &ocr);如果上电成功，则返回0，即执行if()里的mmc_attach_sd()进行总线与SD卡的绑定。如果上电失败，则返回非0值，跳过if()，尝试其他上电的方法。那么，上电方法究竟有何不同呢？具体看看mmc_send_app_op_cond()的实现过程，

int mmc_send_app_op_cond(struct mmc_host *host, u32 ocr, u32 *rocr)
{
struct mmc_command cmd;
cmd.opcode = SD_APP_OP_COND; /* #define SD_APP_OP_COND 41 */
mmc_wait_for_app_cmd(host, NULL, &cmd, MMC_CMD_RETRIES);

... ...

}
int mmc_wait_for_app_cmd(struct mmc_host *host, struct mmc_card *card, struct mmc_command *cmd, int retries)
{

  mmc_app_cmd(host, card); /*#define MMC_APP_CMD 55  */
  mrq.cmd = cmd;
  cmd->data = NULL;

  mmc_wait_for_req(host, &mrq);

  ... ...

}

这里的指令SD_APP_OP_COND只有SD2.0的协议支持，也就是说，只有普通SD卡支持，所以也只有普通SD卡能够成功上电。

如果上电成功，就开始进行总线与SD卡的绑定，通过mmc_attach_sd()，绑定过程可分为四步，

注册SD总线上的操作函数 - struct mmc_bus_ops mmc_sd_ops
设置主控制器的时钟和总线方式 - 通过回调函数host->ops->set_ios();
启动SD卡 - 根据协议，完成SD卡启动的各个步骤
注册SD卡设备驱动

3.1.1 注册总线上的操作函数
, x/ D1 F" ?3 P( @$ o
int mmc_attach_sd(struct mmc_host *host, u32 ocr)
{
mmc_sd_attach_bus_ops(host);

... ...

}

static void mmc_sd_attach_bus_ops(struct mmc_host *host)
{
const struct mmc_bus_ops *bus_ops;

bus_ops = &mmc_sd_ops;
mmc_attach_bus(host, bus_ops);
}

void mmc_attach_bus(struct mmc_host *host, const struct mmc_bus_ops *ops)
{
host->bus_ops = ops;
host->bus_refs = 1;
host->bus_dead = 0;

}

static const struct mmc_bus_ops mmc_sd_ops = {
.remove = mmc_sd_remove,  // 拔出SD卡的操作函数
.detect = mmc_sd_detect,    // 探测SD卡的操作函数
.suspend = NULL,
.resume = NULL,
.power_restore = mmc_sd_power_restore,  // 重新启动SD卡的操作函数
};
这里的mmc_sd_detect和mmc_sd_remove就是拔出SD卡所需要用到的函数，下文将详细讨论。这里需要注意的是，插入SD卡的时候，并不执行mmc_sd_detect和mmc_sd_remove这两个函数，但是会注册它们，也就是说，这两个函数的功能已经实现，将来可以使用。

3.1.2 设置时钟和总线

int mmc_attach_sd(struct mmc_host *host, u32 ocr)
{
  host->ocr = mmc_select_voltage(host, ocr);

  ... ...

}

u32 mmc_select_voltage(struct mmc_host *host, u32 ocr)
{
  mmc_set_ios(host);

  ... ...
}
static inline void mmc_set_ios(struct mmc_host *host)
{
struct mmc_ios *ios = &host->ios;

host->ops->set_ios(host, ios);  // 设置主控制器时钟和总线的回调函数，具体实现由主控制器驱动完成
}
从这里可以体会到回调函数的精髓：协议层里利用回调函数为所有满足该协议的设备提供统一的接口，而具体实现由底层不同的设备驱动各自完成。注意到，之所以要定义一些放之四海而皆准的公用的类，比如struct mmc_host，就是需要通过struct mmc_host *host指针作为形参传到协议层所提供的接口函数中，从而得以调用。

3.1.3 启动SD卡

int mmc_attach_sd(struct mmc_host *host, u32 ocr)
{

  mmc_sd_init_card(host, host->ocr, NULL);

  ... ...

}

  mmc_sd_init_card主要完成以下任务，

SD卡的启动过程
得到寄存器CID, CSD, SCR, RCA的数据
其他操作比如切换到高速模式，初始化card
9 s+ C" e# u; D

static int mmc_sd_init_card(struct mmc_host *host, u32 ocr, struct mmc_card *oldcard)
{

  /* SD卡的启动过程 */

  mmc_go_idle(host);

  mmc_send_if_cond(host, ocr);

  mmc_send_app_op_cond(host, ocr, NULL);

  mmc_all_send_cid(host, cid);

  mmc_send_relative_addr(host, &card->rca);

  /* 得到寄存器CID, CSD, SCR的数据 */

  mmc_send_csd(card, card->raw_csd);

  mmc_decode_csd(card);

  mmc_decode_cid(card);

  mmc_app_send_scr(card, card->raw_scr);

  mmc_decode_scr(card);

  /* 其它操作 */

  mmc_alloc_card(host, &sd_type);

  mmc_select_card(card);

  mmc_read_switch(card);

  mmc_switch_hs(card);

  ... ...

}

1) SD卡的启动过程

  根据SD2.0协议，SD卡的状态可分为两种模式：卡识别模式(card-identification mode)和数据传输模式(data-transfer mode)。这里，我们关注启动SD卡的卡识别模式。

结合代码，

  mmc_go_idle(host);                   CMD0

  Idle State

  mmc_send_if_cond(host, ocr);    CMD8

  mmc_send_app_op_cond(host, ocr, NULL);    ACMD41

  Ready State

  mmc_all_send_cid(host, cid);    CMD2

  IdentificationState

  mmc_send_relative_addr(host, &card->rca);    CMD3

  Stand-byState

2) 寄存器CID, CSD, SCR, RCA

-> 发送指令并得到寄存器的值

  当主控制器向SD卡发送cmd指令，比如mmc_send_cid(card, card->raw_cid)，请求得到SD卡CID寄存器的值，当主控制器发送cmd完成后，芯片产生一个内部中断，处理结束 cmd的中断函数，之后得到来自SD卡的response，即CID寄存器的值，存放于host->cmd->resp中。关于内部中断处理，参看上文的中断一节里的 mmc_wait_for_cmd()。

mmc_send_cid(card, card->raw_cid);这个函数发送了接收CSD寄存器的请求，并且得到了来自SD卡的CSD寄存器的值。

int mmc_send_cid(struct mmc_card *card, u32 *cid)
{
return mmc_send_cxd_native(card->host, card->rca << 16, cid, MMC_SEND_CID);

}

static int mmc_send_cxd_native(struct mmc_host *host, u32 arg, u32 *cxd, intopcode)
{
cmd.opcode = opcode;
cmd.arg = arg;
cmd.flags = MMC_RSP_R2 | MMC_CMD_AC;

mmc_wait_for_cmd(host, &cmd, MMC_CMD_RETRIES);

mEMCpy(cxd, cmd.resp, sizeof(u32) * 4);  // 得到response赋给cxd，即card->raw_cid

... ...
}

-> 解析寄存器的值

为什么要解析？先来看看寄存器CID在SD卡协议里的定义，它是一个128位的寄存器，存放了关于这块SD卡的基本信息，就像自己的身份证。通过mmc_send_cid()将这个寄存器的数值赋给了card->raw_cid (定义 u32 raw_cid[4];) ，为了方便得到具体某一个信息，协议层为我们解析了寄存器里的域，并赋给card->cid，比如厂商名称，就可以通过card->cid.manfid直接读取到。

static int mmc_decode_cid(struct mmc_card *card)
{
  u32 *resp = card->raw_cid;

  card->cid.manfid = UNSTUFF_BITS(resp, 120, 8);
  card->cid.oemid  = UNSTUFF_BITS(resp, 104, 16);
  card->cid.prod_name[0] = UNSTUFF_BITS(resp, 96, 8);
  card->cid.prod_name[1] = UNSTUFF_BITS(resp, 88, 8);
  card->cid.prod_name[2] = UNSTUFF_BITS(resp, 80, 8);
  card->cid.prod_name[3] = UNSTUFF_BITS(resp, 72, 8);
  card->cid.prod_name[4] = UNSTUFF_BITS(resp, 64, 8);
  card->cid.prod_name[5] = UNSTUFF_BITS(resp, 56, 8);
  card->cid.serial = UNSTUFF_BITS(resp, 16, 32);
  card->cid.month  = UNSTUFF_BITS(resp, 12, 4);
  card->cid.year  = UNSTUFF_BITS(resp, 8, 4) + 1997;
  return 0;
}

3.1.4 注册SD卡设备驱动

int mmc_attach_sd(struct mmc_host *host, u32 ocr)
{

  /* mmc_alloc_card(host, &sd_type); 在mmc_sd_init_card()已完成 */

  mmc_add_card(host->card);

  ... ...

}

上文已经提到，设备驱动程序都会通过alloc_xxx()和add_xxx()两步来注册驱动，其实质是调用/drivers/base/core.c里的device_initialize()和 device_add()，device_add()完成建立kobject，sys文件，发送uevent，等工作。

3.2 拔出SD卡

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

/* if there is a card registered, check whether it is still present */
if ((host->bus_ops != NULL) && host->bus_ops->detect && !host->bus_dead)
  host->bus_ops->detect(host);

mmc_bus_put(host);

... ...

}

这里的mmc_bus_get/put()，为SD总线加上一个自旋锁，规定同时只能有一个线程在SD总线上操作。

3.2.1 bus_ops->detect()

mmc_rescan()扫描SD总线，如果发现host->ops上赋了值，即之前已有 SD卡注册过，就执行bus_ops->detect()操作去探测SD总线上是否还存在SD卡，如果不存在了，就执行 bus_ops->remove()拔出SD卡。之前已经提到，这个bus_ops->detect()已在mmc_attach_sd() 注册完成了。

static void mmc_sd_detect(struct mmc_host *host)
{
mmc_claim_host(host);

/*
  * Just check if our card has been removed.
  */
err = mmc_send_status(host->card, NULL);

mmc_release_host(host);

if (err) {
  mmc_sd_remove(host);

  mmc_claim_host(host);
  mmc_detach_bus(host);
  mmc_release_host(host);
}
}
这里的mmc_claim_host(host)通过set_current_state(TASK_RUNNING);将当前进程设置为正在运行进程。

mmc_send_status()发送得到SD卡状态的请求，如果未能得到状态数据，则执行mmc_sd_remove(host)拔出SD卡。

int mmc_send_status(struct mmc_card *card, u32 *status)
{
struct mmc_command cmd;

cmd.opcode = MMC_SEND_STATUS; /* #define MMC_SEND_STATUS 13 */
cmd.arg = card->rca << 16;
cmd.flags = MMC_RSP_SPI_R2 | MMC_RSP_R1 | MMC_CMD_AC;

err = mmc_wait_for_cmd(card->host, &cmd, MMC_CMD_RETRIES);

if (err)
  return err;          // 接收来自SD卡的response失败，即没有发现SD卡
if (status)
  *status = cmd.resp[0];

return 0;

}
主控制器发送命令CMD13，要求得到SD卡的状态寄存器CSR和SSR。

SD协议规定，状态寄存器CSR是必须的，这个32位寄存器作为R1的一个域返回给主控制器，

状态寄存器SSR作为扩充功能，具体参考SD2.0协议。

3.2.2 bus_ops->remove()
) Y: ^$ \5 N3 [! |
拔出SD卡，其实就是注册SD卡驱动的反操作，实质就是执行device_del()和device_put()。

static void mmc_sd_remove(struct mmc_host *host)
{
mmc_remove_card(host->card);
host->card = NULL;
}
void mmc_remove_card(struct mmc_card *card)
{
if (mmc_card_present(card))
  device_del(&card->dev);

put_device(&card->dev);
}

4. 块设备' s8 p4 u/ }7 [, }  L/ ]

首先，必须知道为什么要用到块设备。在linux下，SD卡通过block块的方式(以512字节为最小单位)进行数据传输，它必须遵从块设备架构。在linux块设备层，I/O调度者通过请求队列机制负责对块数据的处理。

SD卡子系统分为三层，主设备层，协议层和块设备层。块设备驱动位于/drivers/mmc/card/block.c，主要完成两个任务，

建立设备节点
通过请求队列机制进行数据传输
5 }9 Q0 E3 y) {: [" q

插入SD卡，注册驱动成功，那么在开发板的目录/dev/block下会出现SD卡的设备节点。

179为主设备号，定义于include/linux/major.h  #define MMC_BLOCK_MAJOR  179

179:0代表这块SD卡的设备节点mmcblk0，179:1代表这块SD卡的第一个分区 mmcblk0p1，即主分区，如果有第二个分区，那就是179:2，最多可以有7个分区，即179:1~179:7(定义于block.c  alloc_disk(1 << 3);)。不过，SD卡一般只有一个分区。如果有第二块SD卡插入，将会建立设备节点mmcblk1(179:8)和 mmcblk1p1(179:9)。

下面通过对块设备驱动block.c的分析，看看SD卡是如何在块设备层建立节点和传输数据的。

4.1 数据结构

每个驱动都会有一个数据结构。幸运的是，我们SD卡块设备驱动的数据结构相对简单，在mmc_blk_data里，主要有两个成员，struct gendisk *disk和struct mmc_queue queue。

1) struct gendisk 是general disk的缩写，代表个通用的块设备，其中包括块设备的主分区结构struct hd_struct part0，块设备的行为函数struct block_device_operations *fops，以及请求队列struct request_queue *queue等。

2) struct request_queue 存放所有I/O调度的算法。

3) struct request 请求是I/O调度者调度的对象，其中的结构struct bio是整个请求队列的核心，具体内容请参看LDD3。

4.2 块设备驱动

首先浏览一下源码，

static int __init mmc_blk_init(void)
{
register_blkdev(MMC_BLOCK_MAJOR, "mmc"); // 注册主设备号(若注册成功，/proc/devices的块设备下会出现mmc)
mmc_register_driver(&mmc_driver);
return 0;
}

static struct mmc_driver mmc_driver = {
.drv  = {
  .name = "mmcblk",
},
.probe  = mmc_blk_probe,
.remove  = mmc_blk_remove,
.suspend = mmc_blk_suspend,
.resume  = mmc_blk_resume,
};

static int mmc_blk_probe(struct mmc_card *card)
{
struct mmc_blk_data *md;
md = mmc_blk_alloc(card);
mmc_blk_set_blksize(md, card);

mmc_set_drvdata(card, md);
add_disk(md->disk);
return 0;

... ...

}

4.2.1 设备驱动的初始化函数

  仍然可以将驱动程序的初始化mmc_blk_probe(struct mmc_card *card)归纳为以下内容，

初始化设备驱动的数据结构mmc_blk_data，并挂载到card->dev.driver_data
实现块备驱动的功能函数struct block_device_operations *fops
注册设备，即注册kobject，建立sys文件，发送uevent等
其他需求，如mmc_blk_set_blksize(md, card);
1) 初始化mmc_blk_data

static struct mmc_blk_data *mmc_blk_alloc(struct mmc_card *card)
{
struct mmc_blk_data *md;
md = kzalloc(sizeof(struct mmc_blk_data), GFP_KERNEL);

md->read_only = mmc_blk_readonly(card);

md->disk = alloc_disk(1 << 3); // 分配了8个可用设备

spin_lock_init(&md->lock);
md->usage = 1;
ret = mmc_init_queue(&md->queue, card, &md->lock);

md->queue.issue_fn = mmc_blk_issue_rq;
md->queue.data = md;

md->disk->major = MMC_BLOCK_MAJOR;
md->disk->first_minor = devidx << MMC_SHIFT;
md->disk->fops = &mmc_bdops;
md->disk->private_data = md;
md->disk->queue = md->queue.queue;
md->disk->driveRFs_dev = &card->dev;

blk_queue_logical_block_size(md->queue.queue, 512);

... ...

return md;

}

完成初始化后，通过mmc_set_drvdata(card, md);将数据挂载到card->dev.driver_data下。

2) 功能函数

static const struct block_device_operations mmc_bdops = {
.open = mmc_blk_open,
.release  = mmc_blk_release,
.getgeo = mmc_blk_getgeo,
.owner = THIS_MODULE,
};

static int mmc_blk_open(struct block_device *bdev, fmode_t mode)
{
struct mmc_blk_data *md = mmc_blk_get(bdev->bd_disk);

... ...
}
struct block_device {
dev_t bd_dev;  /* it's a search key */
struct inode *  bd_inode; /* will die */
struct super_block * bd_super;

... ...
};

与字符驱动类似，通过dev_t和inode找到设备。

3) 注册驱动

void add_disk(struct gendisk *disk)
{
blk_register_region(disk_devt(disk), disk->minors, NULL, exact_match, exact_lock, disk);
register_disk(disk);
blk_register_queue(disk);

... ...

}

blk_register_region()在linux中实现了一种利用哈希表管理设备号的机制。

register_disk()对应alloc_disk()，完成对块设备的注册，其实质是通过register_disk()->blkdev_get()->__blkdev_get()->rescan_partitions()->add_partitions()添加分区，建立设备节点。

blk_register_queue()对应blk_init_queue()完成对请求队列的注册，其实质是通过elv_register_queue()注册请求队列的算法。

关于块设备更为具体的代码分析可参看linux那些事。

4.2.2 请求队列

mmc_init_queue申请并初始化一个请求队列，开启负责处理这个请求队列的守护进程。

int mmc_init_queue(struct mmc_queue *mq, struct mmc_card *card, spinlock_t *lock)
{
struct mmc_host *host = card->host;
mq->card = card;
mq->queue = blk_init_queue(mmc_request, lock);

mq->queue->queuedata = mq;
mq->req = NULL;

blk_queue_prep_rq(mq->queue, mmc_prep_request);  // 注册mmc_prep_request算法
blk_queue_ordered(mq->queue, QUEUE_ORDERED_DRAIN, NULL);  //注册ordered算法
mq->thread = kthread_run(mmc_queue_thread, mq, "mmcqd");

... ...
}

1) mmc_request

它是处理SD卡通用的申请请求的回调函数，或者说是SD卡申请请求的算法。当CPU处于not busy状态，会寻找一个请求，并试图执行它。

/* /drivers/mmc/card/queue.c  */

/*
* Generic MMC request handler.  This is called for any queue on a
* particular host.  When the host is not busy, we look for a request
* on any queue on this host, and attempt to issue it.  This may
* not be the queue we were asked to process.
*/
static void mmc_request(struct request_queue *q)
{
struct mmc_queue *mq = q->queuedata;
struct request *req;

if (!mq) {
  while ((req = blk_fetch_request(q)) != NULL) { // 寻找来自请求队列的一个请求req
req->cmd_flags |= REQ_QUIET;
__blk_end_request_all(req, -EIO);
  }
  return;
}

if (!mq->req)
  wake_up_process(mq->thread); //  如果队列里没有请求req，唤醒守护进程
}

这里我们需要关注这个处理该SD卡请求队列的算法是何时申请的，也就是何时会去申请请求，何时会去唤醒内核线程。

用到回调函数q->request_fn有三处

块设备驱动注册请求队列blk_register_queue()
驱动程序出错，清空请求队列mmc_cleanup_queue()
实现请求队列机制的blk_fetch_request内部本身. W! ^* {% Z$ W" U- L4 e

blk_fetch_request()->blk_peek_request()->__elv_next_request()->blk_do_ordered()->...->q->request_fn

我们不必深究所谓的电梯算法，只要知道，它是使数据得以高效通信的一种算法，算法自身决定何时去唤醒守护进程处理请求。

2) blk_init_queue()

如果一个块设备希望使用一个标准的请求处理步骤，那就必须使用blk_init_queue()。这个函数注册了q->request_fn(这里就是mmc_request)，并初始化请求队列的数据结构struct request_queue。

/*

* call blk_init_queue().  The function @rfn will be called when there
* are requests on the queue that need to be processed.  If the device
* supports plugging, then @rfn may not be called immediately when requests
* are available on the queue, but may be called at some time later instead.
*/

struct request_queue *blk_init_queue(request_fn_proc *rfn, spinlock_t *lock)
{
return blk_init_queue_node(rfn, lock, -1);
}

其中的rfn就是请求队列的一个算法，即这里的mmc_request。

struct request_queue *blk_init_queue_node(request_fn_proc *rfn, spinlock_t *lock, int node_id)
{
struct request_queue *q = blk_alloc_queue_node(GFP_KERNEL, node_id);

q->request_fn  = rfn;
q->prep_rq_fn  = NULL;
q->unplug_fn  = generic_unplug_device;
q->queue_flags  = QUEUE_FLAG_DEFAULT;
q->queue_lock  = lock;

blk_queue_make_request(q, __make_request);

if (!elevator_init(q, NULL)) {
  blk_queue_congestion_threshold(q);
  return q;
}

  ... ...

}

3) kthead_run()

注意到mmc_init_queue这个函数的最后，创建并运行一个名为mmcqd的线程，顾名思意，mmc queue deamon它是一个SD卡的处理请求队列的守护进程，或者说内核线程，当系统注册SD卡块设备驱动时，就通过mmc_init_queue()开启了这个内核线程。

4) mmc_queue_thread

看看这个内核线程做了些什么，

static int mmc_queue_thread(void *d)
{
struct mmc_queue *mq = d;
struct request_queue *q = mq->queue;

current->flags |= PF_MEMALLOC;

down(&mq->thread_sem);

do {
  struct request *req = NULL;

  spin_lock_irq(q->queue_lock);
  set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
  if (!blk_queue_plugged(q))
req = blk_fetch_request(q);
  mq->req = req;
  spin_unlock_irq(q->queue_lock);

  if (!req) {

if (kthread_should_stop()) {
set_current_state(TASK_RUNNING);
break;
}
up(&mq->thread_sem);
schedule();
down(&mq->thread_sem);
continue;
  }
  set_current_state(TASK_RUNNING);

  mq->issue_fn(mq, req);
} while (1);

up(&mq->thread_sem);

return 0;
}

首先，这个守护进程是一个while(1)死循环，如果没有特殊要求，即kthread_should_stop()指定要把这个内核线程终止掉，那么它将从系统启动开始一直负责处理SD卡的请求队列。

在循环内部，内核线程首先通过 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);设置当前线程为可打断的等待线程，进入睡眠状态，等待其他线程唤醒它，这里唤醒它的就是处理SD卡请求的mmc_request，当mq->req为空，即当前没有请求正在处理，则通过 wake_up_process(mq->thread);唤醒内核线程，接着该线程尝试从请求队列里得到一个请求req，

-> 如果没有请求，则调用schedule()交出cpu的使用权让其自由调度，等到系统空闲时，再次得到cpu控制权，并且执行continue;退出当前循环，重新开始新的循环。

-> 如果得到了一个请求，则通过set_current_state(TASK_RUNNING);将该内核线程设置为当前正在运行的进程，并调用issue_fn()，即mmc_blk_issue_rq，处理这个请求，实现主控制器与SD卡的数据传输。

5) issue_fn

驱动初始化函数probe()里的mmc_blk_alloc()里注册了这个回调函数，md->queue.issue_fn =mmc_blk_issue_rq;

这个函数将req里的成员解析成为mmc_blk_request里的指令和数据，即mmc_command和mmc_data，然后通过mmc_wait_for_req()最终实现主控制器与SD卡间的通信。

struct mmc_blk_request {
struct mmc_request mrq;
struct mmc_command cmd;
struct mmc_command stop;
struct mmc_data  data;
};
static int mmc_blk_issue_rq(struct mmc_queue *mq, struct request *req)
{
struct mmc_blk_data *md = mq->data;
struct mmc_card *card = md->queue.card;
struct mmc_blk_request brq;

mmc_claim_host(card->host);

do {

  brq.mrq.cmd = &brq.cmd;
  brq.mrq.data = &brq.data;

  brq.cmd.arg = blk_rq_pos(req);          // 解析指令的参数
  if (!mmc_card_blockaddr(card))
brq.cmd.arg <<= 9;
  brq.cmd.flags = MMC_RSP_SPI_R1 | MMC_RSP_R1 | MMC_CMD_ADTC;
  brq.data.blksz = 512;
  brq.stop.opcode = MMC_STOP_TRANSMISSION;
  brq.stop.arg = 0;
  brq.stop.flags = MMC_RSP_SPI_R1B | MMC_RSP_R1B | MMC_CMD_AC;
  brq.data.blocks = blk_rq_sectors(req);  // 解析数据块大小

  if (rq_data_dir(req) == READ) {             // 解析传输数据方向
brq.cmd.opcode = MMC_READ_MULTIPLE_BLOCK;
brq.data.flags |= MMC_DATA_READ;
  } else {
brq.cmd.opcode = MMC_WRITE_MULTIPLE_BLOCK;
brq.data.flags |= MMC_DATA_WRITE;
  }

mmc_wait_for_req(card->host, &brq.mrq);  // 调用core协议层提供的接口函数，实现数据间通信

... ...

  }

  mmc_release_host(card->host);

}

yin123 · 发表于 2019-12-5 18:44

谢谢分享

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