文章目錄

rt-thread SDIO驅動框架分析之SD卡驅動

1. 前言

2. SDIO通用驅動框架介紹

3. 文件架構分析

4. SDIO設備驅動分析

5. SDIO設備驅動架構分析

6. 調試記錄

7. 總結

1. 前言

RT-Thread是一款國產化的嵌入式操作系統，目前在嵌入式領域得到廣泛應用，其強大的擴展功能以及通用的外設驅動框架備受大家追捧。

關于基本的外設驅動，其官網上基本也都有部分描述，但是關于SDIO設備驅動目前為止還沒有相關文檔說明，因此本文筆者將根據自己的調試使用經驗，與大家分享下rtthread的通用SDIO設備驅動的實現。

本文基于代碼倉庫 rt-thread/bsp/stm32/stm32f103-fire-arbitrary 分析代碼

分支：main

commit：6808f48bdcf914f03ac757cc19b264a5d0db56de

說明：main分支會有不斷更新，但是SDIO驅動框架目前應該不會有大變更

硬件介紹：

控制器：STM32 基于手上為數不多的野火開發板吧

SD卡：本次采用的并非SD卡，而是創世CS家的一顆SD Nand， CSNP4GCR01-AMW，有幸申請到了一顆樣片

這里多說幾句，SD nand使用起來和SD卡完全一樣，而且SD Nand相比SD卡感覺好用太多，貼片LGA-8封裝，和SPI flash 差不多，完美的解決了SD卡松動導致系統不穩定的問題，而且容量又大，個人感覺以后必定是嵌入式存儲應用上的主流 （除了價格貴點啥都好，哈哈）想要樣片試試水的可以去找深圳雷龍公司官網申請下

2. SDIO通用驅動框架介紹

首先來介紹下 SDIO 通用驅動框架。

RT-Thread 區別于其他操作系統，如FreeRTOS，的一大重要特征是，RT-Thread 中引入了設備驅動框架，并且針對絕大多數外設基本上都已完成對應的設備驅動框架編寫，所謂的設備驅動框架，也就是我們所說的建立在應用層與底層驅動層之間的中間件

如下圖所示：

應用層：完成業務應用，調用通用接口操作設備驅動層

設備驅動框架層：完成外設通用驅動框架設計，脫離具體的芯片，將驅動中相同部分，如針對SPI，關于SPI的完整讀寫邏輯等抽離出來

設備驅動層：完成對應芯片的外設驅動程序編寫，實現設備驅動框架層的具體接口

對于SDIO外設亦是如此：

在設備驅動框架層中，實現SD卡、SDIO卡、MMC卡的通用外設驅動邏輯，如卡的識別、卡的模塊切換、卡的讀寫操作等，這些都是通用的，遵循SD標準協議；

在設備驅動層中，根據對應的硬件，完成具體芯片的SDIO外設配置，并實現設備驅動框架層所需要實現的具體接口，如發送CMD命令等。

在應用層實現具體的應用，應用層與驅動層解耦

通過這種方式，這樣便可以輕松的做到：

需要驅動具體的SD、SDIO、MMC時，根據具體的芯片實現對應的SDIO驅動接口即可

應用層可直接移植，如出現方案芯片替代時，只需完成設備驅動層適配即可

這也就是RT-Thread讓眾多開發者瘋狂追捧的重大原因了，接下來，我們將具體分析關于SD卡的具體框架層實現，關于SDIO卡、MMC卡，由于使用不多，本文不做深入分析。

3. 文件架構分析

首先我們先來看下SDIO驅動框架有關文件及架構

SDIO驅動框架文件：

SDIO驅動框架文件架構:

4. SDIO設備驅動分析

設備驅動與驅動框架文件在不同的目錄，設備驅動一般在 bsp 目錄中

通常設備驅動完成以下幾個事情：

初始化具體外設有關數據結構；

完成具體外設初始化程序編寫；

實現設備框架層的具體接口，如：open，read，write，close，control 等；

將具體設備注冊到內核中；

需要注意的是，SDIO設備驅動會有些許區別，在SDIO設備驅動程序中，主要完成以下幾件事：

初始化具體外設有關數據結構；

SDIO外設的初始化配置；

實現設備框架層的以下幾個接口：

struct rt_mmcsd_host_ops {

void (*request)(struct rt_mmcsd_host *host, struct rt_mmcsd_req *req);

void (*set_iocfg)(struct rt_mmcsd_host *host, struct rt_mmcsd_io_cfg *io_cfg);

rt_int32_t (*get_card_status)(struct rt_mmcsd_host *host);

void (*enable_sdio_irq)(struct rt_mmcsd_host *host, rt_int32_t en);

};

4.通知驅動框架層（此處demo程序默認上電前sd卡已接入）；

以 rt-thread/bsp/stm32/libraries/HAL_Drivers/drv_sdio.c 程序為例，SDIO驅動層程序從 rt_hw_sdio_init 函數開始，由于使能了自動初始化，此函數由 INIT_DEVICE_EXPORT(rt_hw_sdio_init); 宏實現初始化調用

（關于自動初始化如何實現的細節，可參考筆者另外一篇博文對自動初始化的詳細分析：代碼自動初始化（點擊跳轉））

在 rt_hw_sdio_init 函數中，驅動程序主要初始化以下幾個結構體：

stm32外設HAL庫配置結構體 SD_HandleTypeDef hsd

stm32 sdio 設備結構體 struct stm32_sdio_des sdio_des

sdio硬件外設結構體 struct rthw_sdio *sdio

mmc sd host結構體struct rt_mmcsd_host

其關系如下圖所示：

結構體數據初始化完成以后，調用mmcsd_change()函數，觸發框架層邏輯

此外，在設備驅動層提供的操作函數主要有：

static const struct rt_mmcsd_host_ops ops =

{

rthw_sdio_request,

rthw_sdio_iocfg,

rthw_sd_detect,

rthw_sdio_irq_update,

};

rthw_sdio_request 實現一次SDIO數據發送

rthw_sdio_iocfg 實現SDIO外設配置，注意在SD識別過程中會反復調用，不斷更新SDIO外設配置

rthw_sd_detect 實現獲取卡的狀態獲取，demo里這里實際沒有實現

rthw_sdio_irq_update 實現SDIO外設中斷的開關配置

函數調用順序如下：

/* 函數調用順序 */

rt_hw_sdio_init()

-> sdio_host_create(&sdio_des)

-> mmcsd_change(host)

5. SDIO設備驅動架構分析

設備驅動架構層，也就是中間層，文件框架如下圖所示：

我們首先來看下 mmcsd_core.c 這個文件：

rt_mmcsd_core_init() 初始化函數通過 INIT_PREV_EXPORT(rt_mmcsd_core_init); 被初始化調用，同時初始化用于 mmc、sd、sdio檢測的郵箱mmcsd_detect_mb，用于熱插拔處理的 mmcsd_hotpluge_mb 以及 mmc、sd、sdio檢測線程 mmcsd_detect_thread；

在線程mmcsd_detect_thread 中，等待mmcsd_detect_mb郵箱喚醒；

當SDIO驅動層完成初始化話之后，通過調用 mmcsd_change(host) 函數，將mmcsd_detect_thread線程喚醒，開始進行mmc、sd卡、sdio卡的識別過程

mmcsd_core_init()函數內容如下：

int rt_mmcsd_core_init(void)

{

rt_err_t ret;

/* initialize detect SD cart thread */

/* initialize mailbox and create detect SD card thread */

ret = rt_mb_init(&mmcsd_detect_mb, "mmcsdmb",

&mmcsd_detect_mb_pool[0], sizeof(mmcsd_detect_mb_pool) / sizeof(mmcsd_detect_mb_pool[0]),

RT_IPC_FLAG_FIFO);

RT_ASSERT(ret == RT_EOK);

ret = rt_mb_init(&mmcsd_hotpluge_mb, "mmcsdhotplugmb",

&mmcsd_hotpluge_mb_pool[0], sizeof(mmcsd_hotpluge_mb_pool) / sizeof(mmcsd_hotpluge_mb_pool[0]),

RT_IPC_FLAG_FIFO);

RT_ASSERT(ret == RT_EOK);

ret = rt_thread_init(&mmcsd_detect_thread, "mmcsd_detect", mmcsd_detect, RT_NULL,

&mmcsd_stack[0], RT_MMCSD_STACK_SIZE, RT_MMCSD_THREAD_PREORITY, 20);

if (ret == RT_EOK)

{

rt_thread_startup(&mmcsd_detect_thread);

}

rt_sdio_init();

return 0;

}

INIT_PREV_EXPORT(rt_mmcsd_core_init);

mmcsd_detect()線程以及mmcsd_change()函數如下：

mmcsd_detect() 函數主要負責完成 SDIO卡、SD卡、MMC卡的初步識別，初步識別確認是哪種類型的卡接入之后，將會調用對應卡驅動文件（SD卡對應sd.c，SDIO卡對應sdio.c，MMC卡對應mmc.c）內的初始化函數，重新完成卡的完整識別流程

如果對于SD卡識別流程不了解，建議先熟悉SD卡識別流程，參考 SD Nand 與 SD卡 SDIO模式應用流程（點擊跳轉）

具體流程見下述函數描述，對應步驟已補充注釋描述

void mmcsd_change(struct rt_mmcsd_host *host)

{

rt_mb_send(&mmcsd_detect_mb, (rt_uint32_t)host);

}

void mmcsd_detect(void *param)

{

struct rt_mmcsd_host *host;

rt_uint32_t ocr;

rt_int32_t err;

while (1)

{

/* 首先等待 mmcsd_detect_mb 信號量，此信號量由 mmcsd_change() 函數發送過來 */

if (rt_mb_recv(&mmcsd_detect_mb, (rt_ubase_t *)&host, RT_WAITING_FOREVER) == RT_EOK)

{

/* 通過判斷 host->card 確認此次操作是識別卡還是移除卡 */

if (host->card == RT_NULL) /* 識別卡 */

{

mmcsd_host_lock(host); /* 獲取鎖 */

mmcsd_power_up(host); /* 配置SDIO外設電源控制器，power up, 即卡的時鐘開啟，同時配置SDIO外設時鐘為低速模式 */

mmcsd_go_idle(host); /* 發送CMD0指令，使卡進入空閑狀態 */

mmcsd_send_if_cond(host, host->valid_ocr); /* 發送CMD8命令，查詢SD卡接口條件 (獲取OCR寄存器) */

/*

* 檢測SDIO卡使用，SD卡不用管

*/

err = sdio_io_send_op_cond(host, 0, &ocr); /* 發送CMD5命令，此處是針對SDIO卡使用，SD卡不會響應 */

if (!err) /* SD卡不會響應此指令，因此此條件不會成立 */

{

if (init_sdio(host, ocr))

mmcsd_power_off(host);

mmcsd_host_unlock(host);

continue;

}

/*

* 檢測SD卡使用，使用SD卡重點關注此項！！！

*/

err = mmcsd_send_app_op_cond(host, 0, &ocr); /* 發送ACMD41指令（ACMD41：CMD55+CMD41） SD卡將應答此指令 */

if (!err)

{

if (init_sd(host, ocr)) /* 此函數內完成SD卡完整的識別流程 */

mmcsd_power_off(host); /* 設置SDIO外設，電源關閉，卡的時鐘停止 */

mmcsd_host_unlock(host); /* 釋放鎖 */

rt_mb_send(&mmcsd_hotpluge_mb, (rt_uint32_t)host); /* 發送郵箱，通知熱插拔事件 */

continue;

}

/*

* 檢測MMC卡檢測使用，SD卡不用管

*/

err = mmc_send_op_cond(host, 0, &ocr);

if (!err)

{

if (init_mmc(host, ocr))

mmcsd_power_off(host);

mmcsd_host_unlock(host);

rt_mb_send(&mmcsd_hotpluge_mb, (rt_uint32_t)host);

continue;

}

mmcsd_host_unlock(host); /* 識別失敗，釋放鎖 */

}

else /* 移除卡 */

{

/* card removed */

mmcsd_host_lock(host); /* 獲取鎖 */

if (host->card->sdio_function_num != 0)

{

LOG_W("unsupport sdio card plug out!");

}

else

{

rt_mmcsd_blk_remove(host->card);

rt_free(host->card);

host->card = RT_NULL;

}

mmcsd_host_unlock(host); /* 釋放鎖 */

rt_mb_send(&mmcsd_hotpluge_mb, (rt_uint32_t)host);

}

}

}

}

在mmcsd_detect()函數內完成SD卡的初步識別之后，之后將調用sd.c文件內的init_sd()函數完成 sd 卡的完整識別過程

/*

* Starting point for SD card init.

*/

rt_int32_t init_sd(struct rt_mmcsd_host *host, rt_uint32_t ocr)

{

rt_int32_t err;

rt_uint32_t current_ocr;

/*

* We need to get OCR a different way for SPI.

*/

if (controller_is_spi(host)) /* 判斷是否采用SPI模式訪問SD卡 */

{

mmcsd_go_idle(host);

err = mmcsd_spi_read_ocr(host, 0, &ocr);

if (err)

goto err;

}

if (ocr & VDD_165_195)

{

LOG_I(" SD card claims to support the "

"incompletely defined 'low voltage range'. This "

"will be ignored.");

ocr &= ~VDD_165_195;

}

current_ocr = mmcsd_select_voltage(host, ocr); /* 配置SDIO外設設置為合適的電壓，對于stm32、gd32等相關控制器，實際是不支持不同等級電壓配置的，所以這里可以忽略，不過你需要注意你所使用的sd卡的電源在硬件上是匹配的 */

/*

* Can we support the voltage(s) of the card(s)?

*/

if (!current_ocr)

{

err = -RT_ERROR;

goto err;

}

/*

* Detect and init the card.

*/

err = mmcsd_sd_init_card(host, current_ocr); /* 完整的SD卡初始化流程在此函數內實現 */

if (err)

goto err;

mmcsd_host_unlock(host); /* 釋放鎖 */

err = rt_mmcsd_blk_probe(host->card); /* 注冊塊設備 */

if (err) /* 如果注冊塊設備失敗，將移除卡 */

goto remove_card;

mmcsd_host_lock(host); /* 獲取鎖 */

return 0;

remove_card:

mmcsd_host_lock(host); /* 獲取鎖 */

rt_mmcsd_blk_remove(host->card); /* 移除塊設備 */

rt_free(host->card); /* 釋放對應的內存 */

host->card = RT_NULL;

err:

LOG_D("init SD card failed!");

return err;

}

調用mmcsd_sd_init_card()函數完成SD卡檢測以及初始化配置

static rt_int32_t mmcsd_sd_init_card(struct rt_mmcsd_host *host,

rt_uint32_t ocr)

{

struct rt_mmcsd_card *card;

rt_int32_t err;

rt_uint32_t resp[4];

rt_uint32_t max_data_rate;

mmcsd_go_idle(host); /* 發送CMD0，復位SD卡，使卡進入空閑模式 */

/*

* If SD_SEND_IF_COND indicates an SD 2.0

* compliant card and we should set bit 30

* of the ocr to indicate that we can handle

* block-addressed SDHC cards.

*/

err = mmcsd_send_if_cond(host, ocr); /* 發送CMD8指令，判斷是否為V2.0或V2.0以上的卡，并獲取OCR寄存器值 */

if (!err) /* 如果是V2.0及以上版本的卡，將置為OCR的bit30位，表明主機支持高容量SDHC卡（OCR將在ACMD41指令時作為參數發送給卡） */

ocr |= 1 << 30;

err = mmcsd_send_app_op_cond(host, ocr, RT_NULL); /* 發送ACMD41（ACMD41 = CMD55+CMD41）指令，發送主機容量支持信息，并詢問卡的操作條件 */

if (err)

goto err;

if (controller_is_spi(host)) /* 判斷是否使用SPI方式訪問SD卡 */

err = mmcsd_get_cid(host, resp); /* 采用SPI方式獲取CID寄存器值 */

else

err = mmcsd_all_get_cid(host, resp);/* 發送CMD2命令，獲取CID寄存器值 */

if (err)

goto err;

card = rt_malloc(sizeof(struct rt_mmcsd_card)); /* 創建rt_mmcsd_card結構體，用于存儲對應SD卡的CID寄存器內容 */

if (!card)

{

LOG_E("malloc card failed!");

err = -RT_ENOMEM;

goto err;

}

rt_memset(card, 0, sizeof(struct rt_mmcsd_card));

card->card_type = CARD_TYPE_SD;

card->host = host;

rt_memcpy(card->resp_cid, resp, sizeof(card->resp_cid));

/*

* For native busses: get card RCA and quit open drain mode.

*/

if (!controller_is_spi(host)) /* 如果不是采用SPI方式訪問SD卡 */

{

err = mmcsd_get_card_addr(host, &card->rca); /* 發送CMD3命令，獲取RCA地址 */

if (err)

goto err1;

mmcsd_set_bus_mode(host, MMCSD_BUSMODE_PUSHPULL);/* 設置CMD總線為推挽輸出模式，需要注意的是，MMC卡V3.31版本以前的卡，初始化階段，CMD總線需要為開路模式，對于SD/SD I/O卡和MMC V4.2在初始化時也使用推挽驅動 */

}

err = mmcsd_get_csd(card, card->resp_csd); /* 發送CMD9命令，獲取CSD寄存器值 */

if (err)

goto err1;

err = mmcsd_parse_csd(card); /* 解析CSD寄存器值，將解析完成的數據存放在剛剛申請的card結構體內 */

if (err)

goto err1;

if (!controller_is_spi(host)) /* 如果不是采用SPI方式訪問SD卡 */

{

err = mmcsd_select_card(card); /* 發送CMD7命令，選擇卡 */

if (err)

goto err1;

}

err = mmcsd_get_scr(card, card->resp_scr); /* 發送CMD9命令，獲取SCR寄存器值，并保存在剛剛申請的card結構體內 */

if (err)

goto err1;

mmcsd_parse_scr(card); /* 解析SCR寄存器的值，并將解析結果存放在在card結構體內 */

if (controller_is_spi(host))

{

err = mmcsd_spi_use_crc(host, 1);

if (err)

goto err1;

}

/*

* change SD card to high-speed, only SD2.0 spec

*/

err = mmcsd_switch(card); /* 發送CMD6指令，切換卡訪問速率由默認的12.5MB/Sec為25MB/Sec高速接口 */

if (err)

goto err1;

/* set bus speed */

max_data_rate = (unsigned int)-1;

if (card->flags & CARD_FLAG_HIGHSPEED)

{

if (max_data_rate > card->hs_max_data_rate)

max_data_rate = card->hs_max_data_rate;

}

else if (max_data_rate > card->max_data_rate)

{

max_data_rate = card->max_data_rate;

}

mmcsd_set_clock(host, max_data_rate); /* 修改SDIO外設時鐘速度 */

/*switch bus width*/

if ((host->flags & MMCSD_BUSWIDTH_4) &&

(card->scr.sd_bus_widths & SD_SCR_BUS_WIDTH_4)) /* 根據SD卡的SCR寄存器反饋的值，判斷SD卡是否支持4線寬度訪問模式，如果支持則切換為4線寬度訪問模式 */

{

err = mmcsd_app_set_bus_width(card, MMCSD_BUS_WIDTH_4); /* 發送ACMD6（ACMD6=CMD55+CMD6）指令，通知SD卡切換為4線訪問模式 */

if (err)

goto err1;

mmcsd_set_bus_width(host, MMCSD_BUS_WIDTH_4); /* 修改SDIO外設配置為4線訪問模式 */

}

host->card = card; /* 將card結構體數據與host結構體建立綁定關系 */

return 0;

err1:

rt_free(card);

err:

return err;

}

6. 調試記錄

RT-Thread的SDIO驅動，默認上層使用到了 elm-fatfs 文件系統，因此通常我們配置好對應的芯片的SDIO驅動之后，直接就可以快速使用文件系統來操作訪問SD Nand了，關于文件系統的有關內容，不在此文中做過多描述，有興趣的同學可以關注本人博客，后續將及時更新。

此外，在實際使用中有一點需要注意，當我們首次使用芯片的時候，sd nand內還未寫入任何數據，此時通常是沒有文件系統的，所以當一次執行之后你會見到如下錯誤：

這是由于SD nand內沒有掛載文件系統導致，解決此問題有以下兩個方法：

方法一：在命令終端使用mkfs掛載文件系統，具體命令步驟如下：

使用list_device查看sd nand對應的設備名

使用mkfs命令格式化sd nand：mkfs -t elm sd0（-t指定文件系統類型為elm-FAT文件系統，對sd0設備操作）

由 drv_sdio.c 外設驅動或其他調用 mmcsd_change() 觸發 mmcsd_detect() 檢測

在 mmcsd_detect () 任務中，實現對SD卡、SD I/O卡、MMC卡的初步識別（發送對應卡特有命令，并判斷是否正確響應），之后根據卡片類型調用不同類型卡片驅動文件內的初始化程序

如針對SD卡，則調用sd.c文件內的 init_sd() 函數完成

在init_sd()函數內調用 mmcsd_sd_init_card() 完成SD卡的完整識別流程以及初始化流程，同時同步修改SDIO外設配置

SD卡初始化完成之后，調用 rt_mmcsd_blk_probe() 將sd卡注冊為塊設備

至此SD的識別與初始化流程順利完成