基于ReWorks平台的SD卡驱动程序设计

摘要：SD卡作为一种大容量、高性能的固体存储设备广泛应用于各类嵌入式系统。目前基于嵌入式ReWorks系统的SD卡驱动研究还比较少。为实现SD卡在ReWorks平台上的数据存取，本文以S3C2440为处理器研究了基于SD总线模式的SD卡初始化过程和读／写过程，并根据ReWorks系统关键数据结构和建立块设备的工作流程，在ReWorks系统平台上实现了的SD模式下的SD卡驱动程序。该驱动程序的结构及实现细节时ReWor-ks平台的块设备驱动开发以及其他系统平台的SD卡驱动开发均有一定的借鉴意义。
关键词：驱动程序；ReWorks；SD卡；嵌入式系统

0 引言
    SD卡(Secure Digital Memory Card)是由日本松下、东芝及美国SanDisk公司于1999年8月在MMC卡(Multi Media Card)基础上共同研制而成的具有大容量、高性能、安全性好等特点的多功能存储卡。由于SD卡通过9针的硬件接口与专门的驱动器接口相连接，不需要外接电源维持记忆信息，而且作为一体化固体介质，没有任何移动部件，所以不用担心机械移动带来的损坏。由于SD卡读／写速度快、移动灵活性好、安全性强，加之体积很小，SD卡被广泛使用于嵌入式便携移动装置上作为嵌入式系统的数据存储设备，如：数码相机、PDA和多媒体播放器等。SD卡用于ReWorks嵌入式系统，必须要开发相应的驱动程序。

1 SD卡操作流程
    SD卡具备SPI和SD两种总线模式，这两种模式下的卡的初始化过程和读／写过程各有特点，具体驱动程序的实现细节不同。SD卡有SD和SPI两种通信模式，前者可获得比后者更高的通信速率。在SD模式下的总线协议类似于问答方式，先由主机向卡发送CMD指令接着被寻址的卡做出响应，根据接收的主机指令的不同，响应帧内容和长度也不同，具体有4种R1，R2，R3和R6，其中R1，R3，R6总长为48位，R2总长为136位，响应帧格式如图1所示。帧传输总是以高位开始，低位结束。本文采用SD总线模式对SD卡进行操作。

1．1 SD卡初始化过程
    在对SD卡进行读／写操作前必须对卡进行初始化，在卡的初始化过程中所有的主机与卡的通信都只走命令接口。在识别模式下主机对卡进行软复位，由卡发布RCA(Relative Card Address)地址，主机对其确认，此后主机用RCA地址对相应的卡进行操作。上电复位或者发送CMD0可使SD卡进入空闲模式(IdleState)，总线激活后，在SD模式下应该用CMD55(APP_CMD)命令(其中RCA=0x0000)对卡进行操作，以使卡将下一指令解释为应用指令即ACMD，再用ACMD41(SD_SEND_OP_COND)对卡进行操作，卡对该指令的响应将记录在操作条件寄存器中，同时不兼容韵卡将进入非活动状态(Inactive State)，此后主机发出CMD2(ALL_SEND_CID)指令，获取卡的识别编码，获取识别码后，主机将发出CMD3(SEND_RE-LATIVE_ADDR)指令获取RCA地址。以上为SD卡初始化的基本流程，此后主机将用RCA地址对卡进行读／写操作，SD卡在SD模式下的初始化的详细状态转换图如图2所示。

1．2 SD卡读／写过程
    卡的读／写过程是主机通过CMD物理接口向卡发出相关指令，对卡进行读或者写操作，读和写操作都有单块和多块的区别，根据SD卡协议规范，在进行读／写操作之前，先发送CMD16(SET_BLOCKLEN)命令来设置块大小。实现单块读和写操作分别用CMD17(READ_SINGLE_BLOCK)和CMD24(WRITE_BLOCK)命令，实现多块读和写操作分别用CMD18(READ_MULTIPLE_BLOCK)和CMD25(WRITE_MUL TIPLE_BLOCK)命令。主机和SD卡之间通过FIFO管道进行数据交换，因此读和写函数模块中且在数据交换之前，必须要对FIFO进行复位，通过对S3C2440的SD卡接口模块中的SDI-FSTA寄存器操作即可完成FIFO复位。在对卡读／写的过程中必须要注意在进行多块读和写操作完成后必须用CMD12(STOP_TRANSMISSION)指令结束读／写操作，将卡转入传输状态(Transfer State)。

2 ReWorks平台SD卡设备驱动程序的设计
    同其他操作系统一样ReWorks抽象了对设备的处理。所有的硬件设备都像常规文件一样看待，它们可以使用和操作文件相同的、标准的系统调用来打开、关闭和读／写。系统中的每一个设备都用一个设备文件代表。
    在创建具体的SD卡设备之前必须要在内存区中开辟一块空间，实现形式为：dev_table=(SDCARD_DEV*)malloc(sizeof(SDCARD_DEV)*max_SD_devices)；SDCARD_DEV结构体包含了block_device_operations结构和SD卡相关属性，block_device_operations结构体如下所示：
  
   
    该结构体对于块设备驱动程序来讲非常重要。因为用户进程通过设备文件同硬件打交道，对设备文件的操作方式不外乎就是一些系统调用，如读／写等。ReWorks中就是用block_device_operations这个关键的数据结构将系统调用和驱动程序关联起来的。
    在该数据结构中每一个函数指针都对应了一个系统调用，用户进程利用系统调用在对设备文件进行诸如read／write操作时，系统调用通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序，然后读取这个数据结构相应的函数指针，接着把控制权交给该函数。该结构体包含了块设备操作所需的函数接口和必要的设备属性。
    空间开辟成功后，便向系统注册设备，实现形式为：register_block_driver(SD_MAJOR，max_SD_devices，(block_ops*)dev_table，sizeof(SDCARD_DEV)，”SDdriver”，&ret_major)；其实就是向系统设备表中写入相关信息，将上面开辟的SDCARD_DEV类型的内存空间和所要创建的块设备建立关联，再对SDCARD_DEV类型的内存空间进行必要的初始化，为下面创建SD卡块设备做好准备。

  接下来便是创建SD卡设备。ReWorks系统采用mknod创建块设备，并使用主(major)和次(minor)设备编号来描述设备。函数原型如下：
    int mknod(const char*pathname，mode_t mode，dev_t dev)；
    其参数说明如表1所示。

   在实际开发中的实现形式为：mknod(dev_name，S IFBLK|0777，MKDEV(SD_MAJOR，ram_minor))；
    至此，SD卡块设备的创建工作已经基本完成。下面所要做的就是功能函数的编写，首先用block_device_operations*pSdDev；声明一个结构体指针，再用实际对卡操作的函数名填充该结构体如下：
    pSdDev->bd_blkRd=SD_blk_Read；pSdDev->bd_blkWrt=SD_blk_Write；pSdDev->bd_ioctl=SD_Ioctl；
    最后实现所有的对卡进行实际操作的功能函数，如下：

    至此，ReWorks平台上SD卡驱动程序的总体结构基本完成。项目中实际使用的主机控制器是S3C2440，在实际的开发中还需要按照前面描述的SD卡基于SD模式下的总线协议的操作流程，对卡进行必要的初始化工作，主要是对S3C2440的SD卡接口寄存器按照一定的程序进行操作，包括卡的波特率设置、工作模式设置、FIFO管道初始化、CMD命令控制寄存器的操作、对卡的响应信息的解析、数据路径编程和所有的过程所需的中断控制寄存器的操作等工作。

3 结语
    经测试，在ReWorks嵌入式系统平台上，利用系统建立块设备的工作流程和关键数据结构创建的SD模式下的SD卡驱动程序，很好地完成了对SD卡读／写操作的BSP层支持，数据读写安全可靠，已成功应用于某控制系统。