Linux MMC子系统1

最新推荐文章于 2024-12-18 16:03:06 发布

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分类专栏： Linux内核子系统文章标签： linux java 算法

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Linux MMC子系统1（基于Linux6.6）---概述

一、概述

MMC（MultiMediaCard） 子系统是 Linux 内核中负责支持和管理 MMC 和 SD（Secure Digital）卡的组件。MMC 和 SD 卡通常用于嵌入式设备中，用作存储介质，广泛应用于智能手机、平板、相机、嵌入式系统等设备。

MMC 子系统通过提供统一的接口，支持多种不同类型的存储设备，并管理设备的初始化、数据读写、错误处理等功能。Linux 内核的 MMC 子系统也支持 SDIO（SD Input Output）设备，这些设备不仅可以用于存储，还可以用于其他功能，如无线网卡、蓝牙模块等。

1.1、MMC 子系统结构

MMC 子系统主要由以下几个部分组成：

1.MMC 驱动程序

MMC 驱动程序负责与硬件进行通信。每个 MMC 设备的驱动程序会实现特定的硬件操作，如数据读写、卡初始化等。
驱动程序通常会绑定到特定的 MMC 卡控制器（如 SDHCI 控制器）上。

2.MMC 控制器（Host Controller）

MMC 控制器是与存储卡直接交互的硬件部件，通常是一个芯片或硬件模块，负责发起与卡之间的数据传输。控制器与卡之间的通信是基于专门的协议标准，如 MMC 或 SD 协议。
控制器通常通过总线接口（如 SPI、SDIO）连接到系统中。

3.MMC 卡

MMC 卡是用于存储数据的介质，可以是 SD 卡、eMMC 卡、SDIO 卡等。它们遵循相应的协议标准进行数据交互。
MMC 卡根据不同的标准（如 SDHC、SDXC、eMMC）有不同的存储容量、速度和接口规范。

4.MMC 子系统中的核心模块

Block Layer：MMC 子系统使用内核的块设备层（Block Layer）来处理存储设备的读写操作。块设备驱动负责将数据按块（通常是 512 字节或更大的块）读写到 MMC 卡中。
File System：文件系统（如 ext4、FAT32、exFAT）提供了在 MMC 卡上存储和管理数据的高级接口。

1.2、CPU、MMC之间的硬件关联图

CPU、MMC controller、存储设备之间的关联如下图所示，主要包括了MMC controller、总线、存储卡等内容的连接，针对控制器与设备的总线连接，主要包括时钟、数据、命令三种类型的引脚，而这些引脚中的cd引脚主要用于卡的在位检测，当mmc controller检测到该位的变化后，则会进行mmc card的注册或注销操作。

在MMC子系统中，主要包含MMC总线、SDIO总线两个部分，其中MMC部分则主要用于适配MMC卡、SD卡、TF卡等存储设备，而SDIO部分则主要用于实现针对SDIO接口连接的设备（wifi、bluetooth、uart、gps、esata等）

二、MMC驱动模型概述

MMC驱动模型也是基于实际的硬件连接进行抽象的，其实该mmc驱动模型的抽象和iic、spi模型类似，如下具体的抽象说明：

针对mmc controller，该子系统抽象为mmc_host，用于描述一个mmc controller；
针对mmc、sd、tf卡，该子系统抽象为mmc_card，用于描述卡信息；
针对通信总线，抽象出mmc_bus；
针对mmc、sd、tf，mmc子系统完成了统一的mmc driver，针对mmc总线规范以及SD规范，其已经详细的定义了一个存储卡的通信方式、通信命令，因此LINUXmmc子系统定义了mmc driver，用于和mmc、sd、tf等卡的通信，而不需要驱动开发人员来开发卡驱动。

而针对这四者之间的关系，以及这四者是如何借助LINUX设备-总线-驱动模型实现关联的，可从如下图中找到对应的关联。

该模型的实现和spi模型是类似的，其中mmc host不添加至mmc bus中，另外和iic、spi不同的是：

mmc总线模型中只注册一个驱动类型，即mmc driver（该驱动适配所有的mmc card）；
一个mmc host与一个mmc card绑定；
Mmc card属于热插拔的设备，而mmc card的创建主要由mmc host负责探测与创建，mmc host根据卡在位检测引脚，当检测到mmc card的存在后，即创建mmc card，同时注册至mmc bus上，并完成与mmc driver的绑定操作。

三、SDIO驱动模型概述

sdio总线驱动模型和mmc类型，结构体上的区别为其driver类型为sdio_driver，并增加了sdio_func结构体变量（该结构体包含了该sdio设备相关的厂商id、设备id，同时包含了mmc_card），与mmc总线驱动模型的区别为：

方面	MMC总线驱动模型	SDIO总线驱动模型
主要用途	存储卡设备，如SD卡、eMMC等	非存储设备，如Wi-Fi、蓝牙、GPS模块等
协议与功能	仅支持存储功能，主要用于数据存储操作	除了支持存储功能外，还支持I/O功能，如无线通信等
驱动框架	通过`mmc`子系统进行设备管理与存储操作	基于`sdio`子系统，处理与SDIO设备的通信与管理
常见设备	存储卡、SD卡、eMMC等存储设备	Wi-Fi模块、蓝牙模块、GPS模块等
硬件控制器	使用MMC控制器驱动（如`sdhci`）	共享MMC控制器驱动，但增加SDIO特定的支持

四、MMC块设备

因mmc_card一般均是存储设备，因此针对该设备的访问即需要借助LINUX内核的块设备模型，因此mmc子系统也必须要实现块设备驱动，借助该块设备驱动模型，将mmc card与vfs完成了关联，即可通过系统调用借助VFS模型实现对块设备的读写访问操作。

1. MMC块设备模型

在Linux中，MMC设备被视为块设备（Block Device）。块设备的操作模型通常涉及以下几个方面：

块设备驱动：它通过块设备接口提供对存储设备的读写操作。
MMC子系统：这是Linux内核中处理MMC卡的核心子系统，提供了对卡的管理、命令执行、数据传输等功能。MMC子系统通过接口管理块设备的生命周期（如插入、拔出、初始化等）。

2. MMC块设备的组成

MMC子系统

MMC子系统由多个子模块组成，其中最重要的模块是：

mmc_core：管理MMC设备的核心功能，包括卡的生命周期（插入、拔出）、卡的初始化、协议处理等。
mmc_blk：处理MMC卡的块设备接口，负责将MMC存储设备作为标准块设备暴露给用户空间，使用户可以通过常见的文件系统接口访问它。

MMC设备与块设备

mmc_blk驱动：MMC卡通过mmc_blk子系统注册为块设备，使得Linux能够对其进行常规的读写操作。通过/dev/mmcblk0等设备节点，用户可以直接对MMC卡进行文件读写操作。
块设备操作：MMC设备的读写操作由块设备驱动完成，Linux系统通过缓冲区缓存机制和I/O调度对数据块进行管理，确保读写操作的高效性和可靠性。

MMC卡的读写操作

在Linux中，MMC卡的读写操作依赖于mmc_blk驱动和MMC协议的交互：

读操作：在Linux中，读操作通过read()系统调用请求，底层会调用MMC驱动中的相关函数来发送读取命令到MMC卡，并从卡上获取数据。
写操作：写操作则通过write()系统调用，底层会将数据块写入MMC卡。写操作可能涉及数据的缓存和刷写，具体实现取决于文件系统和内存管理策略。

3. MMC设备的管理

设备插拔与初始化

设备插入：当MMC卡插入系统时，mmc_core子系统会探测到新设备并进行初始化。初始化过程中，卡的特性（如存储大小、速度等级等）将被识别，并且设备节点（如/dev/mmcblk0）会被创建，用户可以开始使用该设备。
设备拔出：当MMC卡拔出时，Linux会通过mmc_remove_card()来卸载卡设备，并更新系统状态。

设备属性

每个MMC卡都有其自身的属性，如：

容量：卡的总存储容量（通常以字节为单位）。
速度等级：表示卡的数据传输速度等级，如SDHC、SDXC等。
文件系统类型：Linux会使用不同的文件系统（如ext4、FAT32等）来格式化MMC卡，使其可以在系统中存储和管理文件。

4. MMC与SD卡的关系

虽然MMC和SD卡在物理接口上有许多相似之处，它们之间的驱动和协议实现有所不同。SD卡是一种更为流行的标准，许多SD卡支持SDIO（输入输出）功能，而MMC卡通常仅支持存储功能。然而，在Linux内核中，SD卡和MMC卡通常是通过类似的总线（如SDHCI）进行管理的。

MMC设备：主要指存储类设备，通常不具备SD卡的扩展输入/输出功能。
SD卡设备：也可以作为MMC设备使用，但具有更多的扩展功能，如SDIO卡、UHS-I等高速度标准。

5. MMC块设备的文件系统

MMC块设备在Linux系统中通常会与文件系统结合使用，以便存储和管理文件。常见的文件系统包括：

FAT（FAT16, FAT32）：广泛应用于SD卡、MMC卡等存储设备，兼容性好，适用于嵌入式系统。
ext4：Linux原生文件系统，提供高效的读写性能和良好的容错能力。
exFAT：为大容量存储设备设计的文件系统，尤其适用于高容量SD卡和MMC卡。

文件系统挂载

一旦MMC卡通过mmc_blk驱动注册为块设备，Linux系统可以使用mount命令将文件系统挂载到某个目录，从而可以进行文件操作。例如：

mount /dev/mmcblk0p1 /mnt

五、MMC子系统的目录说明

针对mmc子系统，在代码实现上主要包括mmc core、mmc block、 mmc host这三个模块，其中mmc host主要是针对mmc controller的驱动；mmc block主要用于实现mmc block驱动以及mmc driver；而mmc core主要包括mmc 总线、sdio总线的实现、mmc device、mmc driver的注册接口、mmc host与mmc card的注册与注销接口等内容。

以下是与MMC子系统相关的主要目录及其说明：

1. `/drivers/mmc/`

这个目录是Linux内核中MMC相关代码的主要存放位置。所有与MMC设备相关的驱动和子系统模块都位于此目录下。具体的目录结构如下：

core/：此目录包含了mmc_core子系统的核心代码，主要负责管理MMC卡的生命周期、插拔、初始化等功能。
block/：包含了mmc_blk驱动的实现。该驱动将MMC卡作为块设备（Block Device）暴露给系统，使得可以使用常见的块设备接口进行读写操作。
host/：该目录包含了MMC主机控制器驱动程序。MMC卡和系统之间的通信通过主机控制器进行，因此主机驱动程序负责提供对MMC总线的控制和管理。
sdhci/：包含了SDHCI（SD Host Controller Interface）相关的驱动程序。SDHCI是一个常见的接口，支持SD卡和MMC卡的通信，通常与SD卡和MMC卡共享一个物理接口。
omap/、tianocore/ 等子目录：这些是特定硬件平台的MMC子系统实现。如果你使用的是某个特定平台（如OMAP、TI平台等），这些目录包含了为该平台定制的MMC控制器驱动代码。

2. `/drivers/mmc/core/`

这个目录包含了与MMC卡管理和基本操作相关的核心代码。主要文件包括：

core.c：负责实现MMC卡的管理功能，包括卡的初始化、插拔检测、状态更新等。
mmc_ops.c：定义了MMC卡操作相关的接口函数，处理如读写命令、查询卡信息等功能。
sdio.c：负责与SDIO（SD Input/Output）设备的交互。SDIO是SD卡的一种扩展，支持通过SD卡接口实现其他类型的设备（如Wi-Fi模块）。