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Linux MMC 三层模型全景:mmc_host / mmc_card / mmc_request

  • 2026-10-10 16:24:23
Linux MMC 三层模型全景:mmc_host / mmc_card / mmc_request

一、为什么需要三层模型

没有分层时,一个典型的"大杂烩"驱动长这样:

/* ❌ 反例:初始化、传输、错误处理全混在一起 */
void my_card_read(struct my_host *h, u32 sector, void *buf)
{
    /* 卡类型判断散落在传输函数里 */
    if (!h->initialized) {
        if (h->card_type == CARD_EMMC)
            emmc_send_op_cond(h);      /* CMD1:eMMC 专属初始化 */
        else
            sd_send_op_cond(h);        /* ACMD41:SD 专属初始化 */
    }
    /* CMD17 READ_SINGLE_BLOCK,SD 和 eMMC 均使用相同命令 */
    send_cmd(h, MMC_READ_SINGLE_BLOCK, sector);
    wait_for_dma(h);                   /* 同步阻塞,无法复用 */
    check_crc(buf);                    /* CRC 逻辑与传输逻辑耦合 */
}

这类代码无法在 SDHCI 和自研 Host 之间复用,无法在 SD 和 eMMC 之间切换,无法支持异步提交。Linux MMC 子系统用三层模型解决这个问题:

三层的职责边界:

1mmc_host:对控制器硬件的抽象。Host 驱动实现 mmc_host_ops 回调,描述硬件能力。

2mmc_card:对已识别卡的抽象。MMC Core 在枚举时填充,Host 驱动不应直接操作。

3mmc_request:对一次总线传输的抽象。上层填参数,Host 执行,Core 调度与重试。

三者是实现—契约—数据关系,不是继承关系。Host 驱动不关心卡是 SD 还是 eMMC,只负责把 mrq 交给硬件并在中断里填好 error 字段;Core 不关心控制器型号,只负责调度和重试;功能驱动不关心硬件细节,只负责把 bio 转换成 mrq。


二、mmc_host:控制器的抽象

核心字段

struct mmc_host(include/linux/mmc/host.h)描述一个 Host 控制器实例:

struct mmc_host {
    const struct mmc_host_ops *ops;  /* Host 驱动实现的回调表 */

    /* 总线能力——必须正确填写,Core 据此协商卡的工作模式 */
    u32  ocr_avail;     /* 支持的工作电压,如 MMC_VDD_32_33 | MMC_VDD_33_34 */
    u32  caps;          /* MMC_CAP_4_BIT_DATA、MMC_CAP_SD_HIGHSPEED 等 */
    u32  caps2;         /* MMC_CAP2_HS200_1_8V_SDR、MMC_CAP2_HS400_1_8V 等 */

    /* 时钟范围 */
    unsigned int  f_min;    /* 识别阶段 400 kHz */
    unsigned int  f_max;    /* 最高工作频率 */

    /* DMA 约束——与描述符表大小对齐,填错会导致 SG 列表越界 */
    unsigned int  max_seg_size;   /* 单个 SG 条目最大字节数 */
    unsigned int  max_segs;       /* SG 列表最多条目数 */
    unsigned int  max_req_size;   /* 单次请求最大总字节数 */
    unsigned int  max_blk_size;   /* 单块最大字节数(SD/eMMC = 512) */
    unsigned int  max_blk_count;  /* 单次请求最多块数 */

    struct mmc_card  *card;   /* 已识别的卡,无卡时为 NULL */
    /* ... */
};

caps 和 caps2 是最容易漏设的字段。漏设 MMC_CAP_4_BIT_DATA 会让卡初始化停在 1-bit SDR12(~6 MB/s),即使硬件和卡都支持 4-bit 也无济于事。

mmc_host_ops:Host 的实现契约

struct mmc_host_ops {
    /* 必须实现 */
    void  (*request)(struct mmc_host *host, struct mmc_request *mrq);
    void  (*set_ios)(struct mmc_host *host, struct mmc_ios *ios);

    /* 卡检测(无硬件检测脚时可返回固定值) */
    int   (*get_ro)(struct mmc_host *host);
    int   (*get_cd)(struct mmc_host *host);

    /* UHS / HS200 / HS400(可选,不实现则不协商对应模式) */
    int   (*start_signal_voltage_switch)(struct mmc_host *, struct mmc_ios *);
    int   (*execute_tuning)(struct mmc_host *host, u32 opcode);

    /* SDIO 中断 */
    void  (*enable_sdio_irq)(struct mmc_host *host, int enable);
    /* ... */
};

request():最核心的回调

Host 驱动必须异步启动硬件后立即返回,在中断或 workqueue 里调用 mmc_request_done() 完成请求。在 request() 里同步等待完成会死锁 MMC Core 调度线程(详见第六章陷阱一)。

set_ios():总线参数配置

接收一个 struct mmc_ios 快照,Host 据此写寄存器:

struct mmc_ios {
    unsigned int    clock;           /* 目标时钟频率(Hz),0 = 关闭 */
    unsigned char   bus_width;       /* MMC_BUS_WIDTH_1 / _4 / _8 */
    unsigned char   signal_voltage;  /* MMC_SIGNAL_VOLTAGE_330 / _180 */
    unsigned char   timing;          /* MMC_TIMING_SD_HS、MMC_TIMING_MMC_HS200 等 */
    /* ... */
};

每次 Core 需要切换总线参数(时钟频率、位宽、信号电压)时都会调用 set_ios(),Host 必须原子地完成配置。

生命周期与 mmc_of_parse

/* 1. 分配 host 结构体(私有数据紧跟其后) */
host = mmc_alloc_host(sizeof(struct my_priv), &pdev->dev);

/* 2. 填写硬件能力 */
host->ops   = &my_mmc_ops;
host->f_min = 400000;
host->f_max = 200000000;

/* 3. 从 DTS 自动读取 bus-width、mmc-hs200-1_8v 等属性,
      填充 caps / caps2 / ocr_avail——多数平台驱动用这一行代替手写 */
mmc_of_parse(host);

/* 4. 手动补充 DTS 无法表达的约束(DMA 描述符表大小等) */
host->max_segs     = 128;
host->max_seg_size = SZ_64K;
host->max_req_size = SZ_64K * 128;
host->max_blk_size = 512;
host->max_blk_count = host->max_req_size / host->max_blk_size;

/* 5. 注册——触发 mmc_rescan 工作队列,开始枚举卡 */
mmc_add_host(host);

/* 移除时 */
mmc_remove_host(host);
mmc_free_host(host);

mmc_of_parse() 读取 bus-width、mmc-ddr-1_8v、mmc-hs200-1_8v、mmc-hs400-1_8v 等 DTS 属性并自动设置对应 caps 位,避免手写遗漏。DMA 约束仍需手动填,因为它取决于 Host 的描述符表实现,DTS 无法表达。


三、mmc_card:已识别卡的抽象

核心字段

struct mmc_card(include/linux/mmc/card.h)由 MMC Core 在枚举时动态分配:

struct mmc_card {
    struct mmc_host  *host;     /* 所属 Host */

    unsigned int  type;
    /* MMC_TYPE_MMC     = eMMC / MMC
     * MMC_TYPE_SD      = SD 卡
     * MMC_TYPE_SDIO    = 纯 SDIO 设备
     * MMC_TYPE_SD_COMBO= SD + SDIO 复合 */

    unsigned int  state;        /* MMC_STATE_PRESENT、MMC_STATE_READONLY 等 */

    /* 原始寄存器数据(枚举时从卡读取) */
    u32   raw_cid[4];           /* Card Identification Register */
    u32   raw_csd[4];           /* Card Specific Data */
    u32   raw_scr[2];           /* SD Configuration Register(SD 卡专属) */
    u8    raw_ext_csd[512];     /* Extended CSD(eMMC 专属) */

    /* 解码后的结构体 */
    struct mmc_cid      cid;    /* 制造商、产品名、序列号 */
    struct mmc_csd      csd;    /* 读写速度、块大小、容量 */
    struct mmc_ext_csd  ext_csd;/* eMMC 分区、HS400、RPMB 等扩展信息 */

    u16   rca;                  /* Relative Card Address(识别阶段分配) */

    /* 已知缺陷(对照 drivers/mmc/core/quirks.h 中的卡缺陷列表) */
    unsigned int  quirks;
    unsigned int  quirks2;
    /* ... */
};

raw_scr 和 ext_csd 分别是 SD 卡和 eMMC 专属寄存器。SD 卡没有 ext_csd,eMMC 没有 raw_scr——两者共用同一个 mmc_card 结构体,通过 type 字段区分。

quirks 字段

内核在 drivers/mmc/core/quirks.h 维护了一张已知问题卡的匹配表,例如某些 SanDisk 卡在 DDR52 模式下偶发读响应超时,匹配后会自动设置 MMC_QUIRK_BROKEN_DDR52,Core 据此降级到 SDR52。

对于自研产品(eMMC 固定焊在板上),如果测试发现某型号卡在特定速率下不稳定,可以在 DTS 中通过 no-1-8-v(禁用 1.8V 切换)、mmc-ddr-1_8v(强制 DDR 模式)等属性降低速率规避,或在 quirks.h 中为该型号增加 quirk 条目,而不必修改 Core 通用逻辑。

安全访问 host->card

mmc_host.card 在卡拔出时被 Core 置 NULL。任何访问 host->card 的代码都必须持有总线锁,否则可能读到悬挂指针:

mmc_claim_host(host);
if (host->card && mmc_card_present(host->card)) {
    /* 在锁保护内安全访问 card 字段 */
    u32 sectors = host->card->ext_csd.sectors;
}
mmc_release_host(host);

四、mmc_request:一次总线传输的抽象

mmc_request 由三个子结构体组成,字段分工如下:

mmc_command

struct mmc_command {
    u32           opcode;    /* 命令索引,如 MMC_READ_SINGLE_BLOCK = 17 */
    u32           arg;       /* 32 位参数(块地址、RCA 等) */
    u32           resp[4];   /* Host 填入的响应数据 */
    unsigned int  flags;     /* 响应类型 | 命令类型 */
    int           error;     /* 0 = 成功,-ETIMEDOUT / -EILSEQ = 失败 */
    unsigned int  retries;   /* Core 已重试次数 */
};

flags 高 16 位是响应类型,低 16 位是命令类型,两者用 | 组合:

/* CMD17 单块读:有 R1 响应 + 有数据传输 */
cmd.flags = MMC_RSP_R1 | MMC_CMD_ADTC;

/* CMD0 GO_IDLE:广播,无响应 */
cmd.flags = MMC_RSP_NONE | MMC_CMD_BC;

/* CMD12 STOP_TRANSMISSION:有 R1b 繁忙响应,无数据 */
cmd.flags = MMC_RSP_R1B | MMC_CMD_AC;

mmc_data

struct mmc_data {
    unsigned int   blksz;          /* 单块字节数(SD/eMMC = 512) */
    unsigned int   blocks;         /* 本次请求的块数 */
    unsigned int   flags;          /* MMC_DATA_READ 或 MMC_DATA_WRITE */
    struct scatterlist  *sg;       /* DMA SG 列表(由上层分配) */
    unsigned int   sg_len;         /* SG 条目数 */
    unsigned int   bytes_xfered;   /* 实际传输字节数(Host 填写) */
    int            error;          /* 数据错误(Host 填写) */
};

cmd->error 与 data->error 的区别

Host 驱动必须将硬件错误映射到正确字段,Core 根据字段决定重试策略:

硬件事件 应设字段 Core 的响应
CMD 响应 CRC7 不匹配 cmd->error = -EILSEQ 重试命令,最多 retries 次
命令超时(卡无响应) cmd->error = -ETIMEDOUT 重试命令,触发卡复位
DAT 线 CRC16 不匹配 data->error = -EILSEQ 触发 CRC 错误恢复(降速/重试)
数据传输超时 data->error = -ETIMEDOUT 重试,或上报 -EIO 到块层

把 DAT CRC 错设到 cmd->error 是常见错误——Core 会走命令重试路径而不是数据 CRC 恢复路径,掩盖真实原因。

mmc_wait_for_req 与 mmc_start_req 的区别

/* 同步:提交后阻塞,等 mrq->done 触发再返回
   适用于初始化、ioctl、调试路径 */
mmc_wait_for_req(host, &mrq);

/* 异步:提交后立即返回,可以同时准备下一条请求
   适用于 blk-mq 高吞吐路径,内部用 completion 串行化 */
mmc_start_req(host, &mrq, &err);

blk-mq 路径用 mmc_start_req() 以便流水线化多条请求;单次命令(CMD6 SWITCH 切参数、eMMC RPMB 读写等)用 mmc_wait_for_req() 保持代码简洁。


五、一次读操作的完整生命周期

以 CMD17 READ_SINGLE_BLOCK 为例,完整调用链如下(实线=调用,虚线=返回/通知):

mmc_request 是唯一跨层传递的数据载体:[3] 填参数,[7] 填结果,[8] 读结果做决策——三层的边界由此清晰,谁填哪个字段,谁负责读。


六、三个高频误用陷阱

陷阱一:在 request() 里同步等待完成

request() 必须在启动硬件后立即返回;若在回调里同步轮询等待,会让 MMC Core 调度线程永久阻塞,无法接收任何完成通知:

/* ❌ 在 request() 里轮询,MMC Core 调度线程挂死 */
void bad_request(struct mmc_host *host, struct mmc_request *mrq)
{
    start_transfer();
    while (!transfer_done())    /* Core 持锁等这里返回,死锁 */
        cpu_relax();
    mmc_request_done(host, mrq);
}

/* ✅ 启动硬件后立即返回,在中断里完成 */
void good_request(struct mmc_host *host, struct mmc_request *mrq)
{
    priv->mrq = mrq;       /* 保存引用,中断里用 */
    start_transfer();      /* 写寄存器触发 DMA,立即返回 */
}

irqreturn_t my_irq(int irq, void *dev)
{
    struct my_priv *priv = dev;
    if (status & DATA_CRC_ERROR)
        priv->mrq->data->error = -EILSEQ;
    mmc_request_done(priv->host, priv->mrq);
    return IRQ_HANDLED;
}

陷阱二:caps 漏设导致性能缺失

/* ❌ 漏设 4-bit,卡以 1-bit SDR12 运行,速度约 6 MB/s */
host->caps = MMC_CAP_SD_HIGHSPEED;

/* ✅ 按硬件实际能力填写(mmc_of_parse 会处理 DTS 里的部分) */
host->caps  = MMC_CAP_4_BIT_DATA
            | MMC_CAP_8_BIT_DATA        /* eMMC 专属 */
            | MMC_CAP_SD_HIGHSPEED
            | MMC_CAP_MMC_HIGHSPEED;
host->caps2 = MMC_CAP2_HS200_1_8V_SDR
            | MMC_CAP2_HS400_1_8V;

诊断命令:

# 查看当前协商的时序模式(clock、bus_width、timing 等)
cat /sys/kernel/debug/mmc0/ios
# 查看已绑定的驱动名
ls -l /sys/bus/mmc/devices/mmc0:0001/driver

陷阱三:mmc_claim_host 未配对释放

/* ❌ 异常路径漏了 release,总线永久锁定 */
int bad_ioctl(struct mmc_host *host)
{
    mmc_claim_host(host);
    ret = do_cmd();
    if (ret)
        return ret;          /* 漏了 mmc_release_host,其他任务永远拿不到总线 */
    mmc_release_host(host);
    return 0;
}

/* ✅ goto 统一出口 */
int good_ioctl(struct mmc_host *host)
{
    mmc_claim_host(host);
    ret = do_cmd();
    if (ret)
        goto out;
    ret = do_more_cmd();
out:
    mmc_release_host(host);    /* 无论成功失败都释放 */
    return ret;
}

mmc_claim_host 是可重入计数锁(同一线程可嵌套 claim),但每次 claim 必须对应一次 release,否则引用计数永不归零,其他任务无限阻塞在 mmc_claim_host() 内部的 wait_event()。


七、小结

结构体 所属层 生命周期管理 核心职责
mmc_host 控制器层 Host 驱动 mmc_alloc_host / mmc_free_host 实现 ops 回调,描述硬件能力与约束
mmc_card 卡层 MMC Core 枚举时分配,拔卡时释放 存储卡身份、能力寄存器、已知缺陷
mmc_request 请求层 上层驱动(mmc_blk 等)分配,mrq->done 后释放 编码一次总线传输的参数与结果

三层模型让三件事彼此独立:换一块控制器只需重写 mmc_host_ops 实现;换一张卡只需更新 mmc_card.quirks;换一种存储协议(SD→eMMC→SDIO)只需换功能驱动,Core 和 Host 不动。理解三层边界,是读懂 sdhci 框架、ADMA2 配置、Tuning 机制等后续话题的前提。

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