Linux MMC子系统2

Linux MMC子系统2（基于Linux6.6）---驱动模型介绍

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本模块主要介绍MMC子系统与设备-总线-驱动模型的关联，并介绍该MMC子系统是如何借助LINUX内核的设备-总线-驱动模型实现自己的驱动模型的。针对MMC子系统而言，主要使用了系统中的两个模型：设备-总线-驱动模型、块设备驱动模型。

一、设备-总线-驱动模型

在分析MMC子系统的设备-总线-驱动模型时，针对复杂的设备，则需要借助控制器进行通信，而针对i2c、spi、mmc而言，均需要对应的控制器实现与该类设备的通信。而针对这三类控制器，其模块都进行了抽象，其中i2c控制器抽象为i2c adapter、spi控制器抽象为spi master，而针对mmc控制器，则抽象为mmc host；而针对这三种类型设备的抽象，i2c设备抽象为i2c client、spi设备抽象为spi device、mmc device抽象为mmc card。

下面分析下这三类驱动模型的异同：

方面	I2C 驱动模型	SPI 驱动模型	MMC 驱动模型
协议类型	逐字节的串行通信协议，基于主从模式。	全双工串行通信协议，基于主从模式，通常有多个从设备。	存储卡接口，支持不同的存储设备（如SD卡、eMMC）。
硬件接口	使用2根信号线：数据线(SDA)和时钟线(SCL)。	使用4根信号线：MOSI、MISO、SCK、CS（片选）。	使用多种接口，如SDHCI、MMC主机控制器，数据和时钟信号。
传输速率	较低，通常最高传输速率为400 Kbps（标准模式）至3.4 Mbps（高速模式）。	较高，通常为几Mbps到几十Mbps，支持全双工传输。	速度较高，通常取决于MMC卡类型（如eMMC、SD卡等），可支持数百Mbps。
数据传输单位	按字节传输，每次传输一个字节的数据。	数据传输单位是一个字或多个字节，支持全双工传输。	数据传输单位是块（通常为512字节），读取和写入都是基于块操作的。
硬件控制方式	I2C总线上的所有设备由主控制，设备的地址唯一。	SPI总线上的每个设备通过片选(CS)信号控制，不同设备可以共享相同的总线。	MMC设备通常通过SDHCI或自定义主机控制器与系统通信。
驱动架构	I2C设备驱动主要由 i2c-core 和各个 i2c-driver 组成，使用 I2C设备树或 i2c_adapter 进行管理。	SPI设备驱动通过 spi-core 和具体的 spi-driver 管理。每个SPI设备通过 spi_device 进行管理。	MMC驱动通常由 mmc-core、mmc-block 和 host 驱动组成，支持 MMC 主机控制器、SD卡和eMMC设备。
设备树支持	I2C设备需要在设备树中指定设备信息，并绑定到I2C总线。	SPI设备同样需要在设备树中定义，并通过片选选择连接的设备。	MMC设备通过 mmc_host 和相关设备树配置进行管理和初始化。
总线管理	I2C总线由主设备和多个从设备组成，每个从设备通过唯一的地址识别。	SPI总线允许多个从设备通过独立的片选信号与主设备通信。	MMC设备通过MMC总线连接，支持多个MMC卡设备在不同的主机控制器上。
传输控制	通过 i2c_transfer 等函数控制数据传输，支持同步和异步操作。	通过 spi_transfer 控制数据传输，支持同步和异步操作。	通过 mmc_start_request 等函数进行请求处理，支持多种I/O操作。
设备类型	通常用于传感器、时钟、EEPROM、音频编解码器等低速设备。	用于高速设备，如屏幕、存储设备、网络模块等。	用于存储设备，如SD卡、eMMC卡、UFS卡等。
电源管理	电源管理通常通过 i2c_driver 中的回调函数实现。	SPI驱动中也有电源管理接口，通过 spi_driver 进行管理。	MMC卡通常支持热插拔，电源管理由主机控制器和驱动实现。
主要接口函数	- i2c_transfer()<br> - i2c_add_driver()<br> - i2c_del_driver()	- spi_sync()<br> - spi_async()<br> - spi_setup()	- mmc_start_request()<br> - mmc_register_driver()<br> - mmc_set_ios()
传输方式	单向传输（主机写从机，或者从机响应主机）。	支持全双工（同时发送和接收数据）。	双向传输（读取/写入块设备）。
缓存管理	一般使用缓冲区传输数据，支持缓存对齐。	使用SPI缓冲区处理数据，通常为直接内存访问（DMA）。	MMC卡驱动通常会使用DMA进行数据传输，并进行缓存对齐管理。
驱动模块加载	I2C驱动模块可以通过 modprobe 等工具动态加载。	SPI驱动模块也可以通过 modprobe 等工具动态加载。	MMC驱动模块同样通过动态加载（如 modprobe mmc_core）进行。

总结：

• 相似之处：

  1. 主从模式：I2C、SPI 和 MMC 都支持主从结构，但它们的硬件接口和协议有所不同。
  2. 设备树支持：这三种协议都需要在设备树中定义，以确保内核正确识别和配置硬件。
  3. 异步操作：它们都支持异步操作，通过传输队列和回调机制管理数据传输。

• 不同之处：

  1. 传输方式：I2C为单向传输（主设备发送/接收数据），而SPI支持全双工通信，MMC则基于块传输。
  2. 硬件接口：I2C只有2根线（SDA/SCL），SPI有4根线（MOSI、MISO、SCK、CS），而MMC支持更多的信号线和更复杂的硬件接口。
  3. 驱动架构：每种协议的驱动模型都有不同的层次结构，I2C和SPI主要是驱动适配器和设备，而MMC则涉及更复杂的主机控制器和块设备处理。

从mmc子系统设备-驱动-总线模型间数据结构体之间的关联，来进一步分析mmc子体系的驱动模型。

1.1、mmc子系统设备-总线-驱动模型

如下即为mmc_bus_type、mmc_card、mmc_host、mmc_driver、kset、kobject的关联如下图。其中i2cbus、mmc bus、spi总线均通过其对应的kobject完成关联。而mmc host与mmc card通过其指针成员完成了绑定，而mmc card、mmc driver、mmc bus则借助设备-总线-驱动模型的数据结构完成了关联操作。

1.2、mmc子系统mmc host与mmc class的关联

mmc子系统的mmc host借助其device类型的程序class_dev以及device-class模型的数据结构完成了绑定操作，如下为mmc host与mmc class的关联，同时mmc host借助kref、mmc_class->dev_release接口，可完成mmc host变量的动态释放（当mmc_host的引用计数为0后，则会调用device_release接口进行释放操作，最终调用mmc_host_classdev_release接口，完成mmc_host的内存释放）。

1.3、mmc子系统的逻辑架构

针对mmc子系统内部，其与上层应用以及底层设备的关联如下图所示：

1. MMC Block部分

• 作用：MMC Block部分主要提供对存储卡（如SD卡、eMMC等）上数据块的访问，它在MMC子系统中扮演了类似磁盘的角色。
• 功能：实现对MMC设备的读写操作，通常作为块设备（block device）来管理，通过Linux的块设备接口提供文件系统（如FAT、ext4等）的支持。
• 驱动实现：通过 mmcblk 驱动将MMC设备暴露给用户空间，使得它们可以作为标准的块设备进行操作。mmcblk 驱动负责将底层的MMC设备转化为块设备。

2. Core接口层

• 作用：核心接口层提供了MMC子系统的核心功能，处理设备管理、卡识别、卡初始化等基础功能。
• 功能：
  • 管理和识别MMCs的插入/拔出。
  • 实现MMC设备的初始化、配置等基础操作。
  • 提供与硬件相关的控制命令接口。
• 模块：MMC核心模块位于 drivers/mmc/core 目录，包含 mmc_core.c 等文件，提供MMC设备的创建、销毁、初始化等操作。

3. Host相关接口

• 作用：Host部分是控制MMC设备访问的硬件接口层。它提供对不同MMC控制器（例如SD卡控制器、eMMC控制器）的支持。
• 功能：
  • 提供硬件控制接口，确保主机和MMC卡之间的通信。
  • 管理与卡的连接、数据传输的时序。
• 模块：包括 host 控制器的驱动程序，它通过 mmc_host 结构与其他层次进行交互。每个主机控制器的驱动都需要实现一些基础的操作函数。
• 驱动：主机驱动通常会注册到 mmc_register_host() 函数中，负责初始化、配置硬件控制器，进行卡初始化等操作。

4. MMC/SD ops接口

• 作用：MMC/SD ops 接口是MMC子系统和SD卡（包括SDIO卡）之间的操作接口，它提供了SD卡相关的操作接口。
• 功能：
  • 定义SD卡的操作（如读写命令、初始化命令等）。
  • 提供SD卡特有的操作，如不同容量、速度等级的SD卡的配置。
• 模块：在MMC子系统中，SD卡相关的操作通常会通过 sd_ops 或类似的接口定义，SD卡的操作会调用 sd_ops 中定义的函数。

5. MMC bus ops接口

• 作用：提供一个抽象层，用于管理与MMC总线（如SDIO总线）相关的操作。它负责不同MMC总线控制器之间的统一操作接口。
• 功能：
  • 管理MMC卡与主机之间的数据传输。
  • 定义总线控制接口。
• 接口定义：在MMC子系统中，总线操作函数会通过 mmc_bus_ops 接口进行注册和实现，提供与硬件相关的总线操作，如数据传输、时序控制等。

6. MMC/SDIO bus接口

• 作用：SDIO（Secure Digital Input Output）是MMC的一种扩展，用于提供如Wi-Fi、蓝牙等设备的支持。MMC/SDIO bus接口主要负责处理与SDIO设备的通信。
• 功能：
  • 提供与SDIO设备的交互接口。
  • 处理SDIO卡的识别、初始化、读写等操作。
• 模块：SDIO总线接口通常在 drivers/mmc/host 中有相关实现，具体接口会通过 sdio_ops 来支持。

7. MMC core接口

• 作用：MMC core接口是MMC子系统的核心接口，它抽象了对MMC设备的操作，提供了一套统一的API接口，供上层调用。
• 功能：
  • 提供设备管理和控制接口，处理设备的插拔、状态检测、卡初始化等任务。
  • 通过与主机驱动、SD卡驱动、文件系统等模块的交互，实现完整的MMC设备功能。
• 接口定义：MMC core通过 mmc_ops（例如 mmc_get_card()）提供对外接口，涵盖MMC卡的操作和管理。

典型的MMC架构图（逻辑关系）：

+--------------------------------------+
|          User Space / File System   |
|      (e.g., mounting MMC/SD card)    |
+--------------------------------------+
                ^
                |
+--------------------------------------+
|         MMC Block Layer             |
|  (blkdev - block device interface)  |
+--------------------------------------+
                ^
                |
+--------------------------------------+
|         MMC Core (drivers/mmc/core) |
|    (card management, initialization)|
+--------------------------------------+
                ^
                |
+--------------------------------------+
|   Host Controller Driver (e.g., SDHC)|
|      (handles bus interface)         |
+--------------------------------------+
                ^
                |
+--------------------------------------+
|         Bus and Device Operations   |
|    (MMC/SD/SDIO bus, ops interfaces) |
+--------------------------------------+
                ^
                |
+--------------------------------------+
|      Hardware (Host Controller)     |
|      (SDIO, SDHC, etc.)              |
+--------------------------------------+