嵌入式Linux系統(tǒng)中MMC卡驅動管理技術研究

引 言
MMC(Multitmedia Card)是一種體積小巧、容量大、使用方便的存儲器，目前在手機等嵌入式系統(tǒng)中有著廣泛的應用。MMC通過卡內的一個集成片內控制器對MMC卡進行控制和管理，當主機正確地驅動MMC卡后，就可以像磁盤一樣方便地存取數據。本文所研究與實現的Linux驅動程序，以Intel XScale的PXA250為硬件平臺，在遵循MMC卡通信協議規(guī)范的基礎上，實現了卡的底層讀寫。然后對傳統(tǒng)的塊設備驅動程序中的單塊讀寫進行了改進，實現了集群讀寫技術，提高了卡的讀寫速度；同時增加了電源管理功能，滿足了嵌入式系統(tǒng)低功耗的需求；增加了即插即用功能，方便了用戶的使用。

1 MMC卡驅動程序的體系結構
MMC卡僅通過5個引腳與主機的控制器相連，通過串行協議與主機通信。MMC卡在硬件上的簡單構造必然導致在實現驅動程序上的復雜。依據MMC卡的通信擲議規(guī)范和Linux驅動程序的結構，把驅動程序原有的底層驅動、守護線程、單塊讀寫進行改進和擴展，其結構層次再劃分為底層驅動、守護線程、集群讀寫、電源管理及熱拔插管理5個部分，如圖l所示。

圖1中各部分的功能為：
①底層驅動――處理直接涉及與MMC卡硬件寄存器端口的操作，包括：命令的發(fā)布和響應、中斷響應和處理、PIO或者DMA通道數據傳輸等。
②集群讀寫――將磁盤相鄰數據塊的讀寫請求合并起來一起發(fā)布讀寫命令，以加快數據讀寫，并在讀寫中實現并發(fā)控制。
③電源管理――實現MMC卡的低功耗管理。
④熱拔插管理――實現MMC卡的即插即用功能。
⑤守護線程――響應文件系統(tǒng)的讀寫請求并啟動對卡的1/O。

2 MMC卡驅動程序的實現
2．1 底層驅動
底層驅動指的是直接對MMC卡進行操作。MMC卡采用串行的數據傳輸方式；是一種比較“精細”的卡，對它的操作比較復雜而且必須有準確的時序安排。以下從命令的發(fā)布和響應、中斷響應和處理、DMA數據傳輸3個方面講述如何進行底層讀寫驅動。

(1)命令發(fā)布和響應
MMC卡的操作是通過對其18個控制寄存器的讀寫實現的。首先，設置時鐘起停寄存器MMC_STRCPL的最低兩位為01．關閉MMC卡內部時鐘。然后，設置中斷屏蔽寄存器MMC_LMASK的最低7位都為1，屏蔽所有對MMC控制器的中斷，再向指定的MMC控制寄存器中寫入命令參數，如時鐘頻率設置寄存器MMC_CLKRT，讀寫塊數寄存器MMC_NOB，命令寄存器MMC_CMD等。最后，打開內部時鐘，解除屏蔽的中斷。這時，當前讀寫進程進入睡眠狀態(tài)，等待中斷處理程序的喚醒。

(2)中斷響應和處理
MMC卡在數據傳輸請求、內部時鐘關閉、命令發(fā)布完畢、數據傳輸完畢的情況下都會產生中斷，但足MMC卡的控制器只通過1裉GPIO23的引腳與CPU相連，用于中斷信號線的復用；因此在中斷處理程序中，必須首先判斷到底是哪種原因產生的中斷，然后再進行相應的處理。這里，MMC卡在正確發(fā)布讀寫命令以后，系統(tǒng)會產生1次中斷，中斷處理程序中讀取MMC_IREG的值，判斷命令已經發(fā)布成功，同時喚醒等待命令完成的進程。

讀寫進程被中斷喚醒后，首先讀取MMC卡響應寄存器MMC_RES中的狀態(tài)信息，再根據這些狀態(tài)信息判斷命令是否發(fā)布成功和卡的當前狀態(tài)。如果這些狀態(tài)信息表示命令執(zhí)行成功，則通過讀寫緩沖寄存器MMC_RXFIFO和MMC_TXFIFO進行數據的讀寫(這里使用DMA進行數據傳輸，提高了數據的傳輸速度)；如果返回的狀態(tài)信息表明命令執(zhí)行不成功，則根據狀念信息進行相應的出錯處理。

(3)DMA數據傳輸
驅動程序中對MMC卡的數據讀寫是通過DMA通道進行傳輸的。為了保汪操作的連續(xù)性，驅動程序對MMC卡的輸入和輸出緩沖各設置1個DMA通道，在進行實際數據傳輸時，讀寫進程也進入睡眠狀態(tài)，等待DMA數據傳輸完畢后，被DMA中斷喚醒。實現一次讀操作的偽代碼如下：
Pxa_read_mmc(){

關閉時鐘，屏蔽中斷；
設置讀寫寄存器的內容； /*讀寫塊數，起始塊數，讀寫速度等*／
打開時鐘，發(fā)布讀寫命令；
Interruptible_sleep_on()； ／*進入可打斷睡眠狀態(tài)，等待中斷程序的喚醒*／
被中斷程序喚醒，打開DMA通道，進行數據傳輸，再次進入可打斷睡眠狀態(tài)；
被DMA傳輸完畢中斷喚醒，發(fā)布結束傳輸命令，結束數據傳輸；

2．2 集群(clustering)讀寫和并發(fā)控制
2．2．1 傳統(tǒng)的塊設備驅動程序結構和不足
塊沒備驅動程序是Linux系統(tǒng)中最復雜的驅動程序之一，參閱文獻[3，4]可以詳細了解Linux塊設備驅動程序。這里簡單介紹與集群讀寫相關的數據結構和操作。扇區(qū)(seetor)是塊設備硬件傳輸數據的基本單位，而塊(block)是塊設備請求1次I／O操作所涉及的一組相鄰扇區(qū)，每個塊都需要有自己的內存緩沖區(qū)。緩沖區(qū)首部(buffer_head)是與每個緩沖區(qū)相關的數據結構，每次對塊沒備的I／O傳輸都必須經過塊的緩沖區(qū)。

Linux塊沒備驅動程序采取一種延遲I／O策略。當進程有I／O請求時，驅動程序延遲一段時間，把塊設備上相連續(xù)的buffer_head結構關聯在一起形成一個I／O請求描述符(struct request)，再把request結構按照電梯算法排隊到設備的請求隊列(request_queue_t)。這樣實際執(zhí)行I／O傳輸時，順次處理對應塊設備的請求隊列。
對于request結構的電梯排隊算法，避免由于頻繁的移動磁頭而導致塊設備性能下降；然而，目前在Linux塊設備驅動程序中，對一個request結構中的各個buffer_head結構分別發(fā)布I／O讀寫命令，會導致每次對一個buffer_head的輸入／輸出時，磁頭都會停頓一段時間，進行DMA數據讀寫。這樣頻繁的磁頭啟停會導致磁盤性能下降。

2.2.2 集群讀寫的實現
傳統(tǒng)的塊設備驅動程序中每次發(fā)布讀寫命令都只對一個buffer_head緩沖而導致塊設備性能下降。針對這一問題，我們對傳統(tǒng)塊設備進行改進，實現了集群讀寫。由于每一個request結構的buffer_head結構鏈對應的物理塊都是相鄰的，因此為進行集群讀寫創(chuàng)造了條件。request結構中的nr_sectors表示該request結構需要讀寫的塊數。進行讀寫時，一次性發(fā)布讀寫塊數為nr_seetors，讀入塊設備內容到requem結構指向的第一個buffer_head結構對應的內存區(qū)域。在一個buffer_head結構的緩沖區(qū)讀寫滿了以后，就調整讀寫緩沖區(qū)地址為下一個buffer_head所指向的緩沖區(qū)，同時配合DMA進行數據傳輸，提高了讀寫速度。對一個request結構操作完成以后，釋放request結構資源。實現集群讀操作偽碼如下：
Read_mmc(){

發(fā)布讀寫命令，讀入的數據塊數為一個rcquest一>nr_sectors的塊數；
緩沖區(qū)的指針指向第1個bh結構所指的緩沖區(qū)；
while(數據還沒有讀完){
讀入數據到buffer_head結構所指定的緩沖區(qū)；／*調用Pxa_read_mmc()*／
調整緩沖區(qū)的指針到下一個buffer_head結構所指向的緩沖區(qū)；
}

}

2．2．3集群讀寫中的并發(fā)控制
如果I／O請求隊列request_queue_t是在內核中的許多地方都被訪問的，則該隊列就成為了臨界資源。為了對該隊列進行互斥保護，Linux2．4中所有的請求隊列都受一個單獨的全局自旋鎖io_request_lock的保護。所有對清求隊列的操作必須要求擁有該鎖并禁止中斷，然而，在驅動程序擁有這個鎖的同時，其他任何讀寫請求不能排隊到系統(tǒng)的任何塊設備上，其他讀寫處理函數也不能運行。為了盡量減輕由于驅動程序長期的擁有該鎖而導致系統(tǒng)性能下降的問題，在實現集群讀寫時必須遵循以下原則：

①對請求隊列進行讀寫操作時要獲得鎖；
②對請求隊列操作完畢后釋放請求鎖；
③為了減少占用鎖的時間，可先把隊列中的request結構從隊列中取下來，再打開鎖，然后在開鎖的情況下對取下的request結構進行操作。

基于以上原則，讀／寫處理函數的偽碼如下所示：
mmc_request_fn()
whilc(1){
加鎖io_request_lock;
讀取當前mmc卡請求隊列的第一個請求結構request；
釋放鎖io_request_lock;
if(request為空)
cxit(O)； ／*沒有可以處理的隊列，返回*/
read_mmc()； /*調用集群讀寫函數*/
加鎖io_request_lock；
在queue結構中取處理完畢的request結構，釋放request資源；
釋放鎖io_request_lock；
}

}

2.3 守護線程
在MMC卡驅動程序初始化的時候，啟動守護線程mme_block_thread。它平時處于睡眠狀態(tài)，當有對MMC卡的讀／寫請求時，mmc_blok_thread被喚醒。該線程調用上述讀／寫處理函數mmc_request_fn()，處理完畢后再進入睡眠狀態(tài)。

2.4 電源管理
嵌入式系統(tǒng)一般有低功耗要求，當某設備長期沒有運行時，就應該停止給該設備供電，以減少電能消耗。在內核中有一個需要注冊的電源管理設備的隊列pm_list，同時也有電源管理線程kpowered，它的優(yōu)先級是所有運行進程中最低的。當系統(tǒng)長時間沒有進程運行時，kpowered被喚醒，掃描pm_list隊列各個注冊的設備。如果發(fā)現該設備長期沒有運行，則向該設備發(fā)出PM_SUSPEND事件；而當設備重新開始使用時，則向pm_list隊列發(fā)出：PM_RESUME事件。

在MMC卡驅動模塊中注冊了電源管理的回調函數mme_block_callback，即pm_register(PM_UNKNOWN_DEV，0，mme_pm_callback)。這樣MMC卡就注冊到了pm_list隊列中去了。當有電源事件時，就觸發(fā)mmc_pm_callback函數。該函數處理各種電源事件。

程序中的電源事件有兩種：
①PM_SUSPEND事件。該事件使MMC卡進入省電模式。這時驅動程序保存MMC卡的當前狀態(tài)和重要寄存器的內容，如時鐘寄存器MMC_CLKRT和狀態(tài)寄存器MMC_STAT等。然后，設置MMC卡的供電GPIO為高電平，關閉MMC卡的電源供應，沒置MMC卡在時鐘使能寄存器CKEN的相應位為O，關閉MMC卡的時鐘脈沖。這時，MMC卡就進入了省電模式。
②PM_RESUME事件。該事件使MMC卡進入正常工作模式。這時程序恢復在進入省電模式前保存的寄存器，打開電源供應和時鐘脈沖，MMC卡恢復到正常的工作模式。
當然電源事件也可以由用戶進程自愿觸發(fā)。在文件系統(tǒng)的接口file_operaion io_control中留有電源理管理接口，用戶可以通過io_contol向卡發(fā)送電源事件請求。

2.5 熱插拔管理
在手機、PDA等嵌入式系統(tǒng)中，都要求提供對設備的即插即用功能，使用戶無須安裝驅動程序就可以即時使用設備。Linux在系統(tǒng)層和應用層都要對熱插拔事件進行處理。在系統(tǒng)層，一方面要探測MMC卡的熱插拔事件，分配或釋放系統(tǒng)資源，并驅動MMC卡；另一方面，要將此事件準確及時地通知給應用層，應用層則根據熱插拔事件作相應的處理。

在操作系統(tǒng)層，需要注冊一個字符型設備mmc_plug文件，用于應用層探測MMC卡的熱插拔事什。CPU通過GPIO12引腳與MMC卡相連，用于卡插拔的中斷探測。同時驅動程序巾設置一個信號量MMC_EVENT，它取MMC_INSERT和MMC_REMOVAL兩個值。當卡插入和或者拔出時，在中斷處理程序中被分別設置為MMC_INSERT和MMC_REMCOVAL；并同時傳給字符設備mmc_plug，供上層的應用程序使用。為了讓應用層能夠知曉卡的拔插事件，在字符設備mmc_plug使用異步I／O機制poll，需要接收內核拔插事件的進程通過poll在一個等待隊列上睡眠，當有卡拔插事件時產生中斷，中斷處理程序喚醒在隊列上等待的進程。上層進程在被喚醒后就讀取字符設備，獲取所發(fā)生的事件。

在應用層，進程通過select機制監(jiān)聽MMC卡所發(fā)生的熱插拔事件，在沒有拔插事件的時候，進程進入阻塞狀態(tài)，讓出CPU資源；當發(fā)生熱拔插事件時，系統(tǒng)喚醒通過poll加入到等待隊列中的進程，然后應用層通過read函數得到MMC卡的熱插拔事件，進行相應的應用層處理。當然，應用層也可以通過write方法通知系統(tǒng)層對卡進行處理。

結語
本文研究實現的MMC卡驅動程序，其實現的集群讀寫證明有穩(wěn)定而較高的讀／寫速度；增加了電源管理功能，降低了電源的功耗，滿足了嵌入式系統(tǒng)低功耗的要求；增加的即插即用功能，大大方便了用戶的使用。驅動程序的體系結構是實現嵌入式系統(tǒng)塊設備驅動的一種好方法。