SD Express驱动架构解析：Linux MMC Core框架与O2Micro GG8芯片适配

Linux驱动
,

概述

本文深入分析Linux内核MMC子系统对SD Express的支持框架，以及Bayhub(O2Micro) GG8芯片驱动如何适配到内核框架。

SD Express技术背景

SD Express是SD协会发布的第七代SD标准，核心特性：

特性 SD 6.x SD Express
最大容量 2TB (SDXC) 128TB (SDXC)
最大速度 ~100 MB/s (UHS-II) ~4 GB/s (PCIe 4.0 x2)
总线协议 SD/UHS-II PCIe/NVMe

Linux MMC子系统架构

整体架构

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│                    Linux MMC 子系统架构                           │
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│                     User Space (Block Layer)                    │
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│                   MMC Block Driver (mmc_blk)                     │
│   • 将MMC设备呈现为块设备                                        │
│   • 处理读写请求、队列管理                                        │
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│                     MMC Core (mmc_core)                          │
│   ┌───────────────┐ ┌───────────────┐ ┌───────────────────┐  │
│   │ mmc_bus_ops   │ │ mmc_card      │ │ MMC Protocol      │  │
│   │ • suspend     │ │ • CID/CSD    │ │ • SD Express     │  │
│   │ • resume     │ │ • SCR/SSR    │ │ • NVMe切换      │  │
│   │ • remove     │ │ • 能力检测   │ │ • 初始化流程    │  │
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│  sdhci-pci-o2micro│ │  sdhci-pci-gli  │ │   其他Host驱动  │
│  (Bayhub GG8)     │ │  (GL874/GL9750) │ │                 │
└──────────────────┘ └──────────────────┘ └──────────────────┘
              │               │               │
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│                     SD Host Controller                           │
│   ┌───────────────┐ ┌───────────────┐ ┌───────────────────┐  │
│   │ SDHCI Core    │ │  PCI/AMBA    │ │  Platform Data    │  │
│   │ • DMA         │ │  Bus Layer   │ │  • GPIO/Clock    │  │
│   │ • Interrupts  │ │              │ │                  │  │
│   └───────────────┘ └───────────────┘ └───────────────────┘  │
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SD Express支持框架

1. Capability声明

在内核MMC框架中，Host驱动需要声明支持SD Express：

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// mmc.h - MMC capability定义
#define MMC_CAP2_SD_EXP        (1 << 0)  // SD Express支持
#define MMC_CAP2_SD_EXP_1_2V  (1 << 1)  // SD Express 1.2V支持

2. SD Express初始化回调

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// mmc.h - Host操作接口
struct mmc_host_ops {
    // ... 其他回调 ...

    // SD Express初始化回调
    int (*init_sd_express)(struct mmc_host *mmc, struct mmc_ios *ios);
};

当MMC Core检测到需要切换到SD Express模式时，调用此回调。

3. SD Express状态机

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│                    SD Express 状态机                              │
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[1] 初始化SD卡
        │
        ▼
[2] 检测SD Express能力 (SCR[60] = 1)
        │
        ▼
[3] 协商电压 (1.8V)
        │
        ▼
[4] 执行PCIe链路训练
        │
        ▼
[5] 等待Card发出PCIe电源通知
        │
        ▼
[6] 调用init_sd_express回调
        │
        ▼
[7] 切换Host到PCIe模式
        │
        ▼
[8] 通知NVMe驱动接管

GG8芯片适配分析

1. Device ID定义

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// sdhci-pci.h - Bayhub GG8设备ID
#define PCI_DEVICE_ID_O2_GG8_9860  0x9860
#define PCI_DEVICE_ID_O2_GG8_9861  0x9861
#define PCI_DEVICE_ID_O2_GG8_9862  0x9862
#define PCI_DEVICE_ID_O2_GG8_9863  0x9863

2. SD Express切换实现

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// sdhci-pci-o2micro.c - GG8 SD Express初始化
static int sdhci_pci_o2_init_sd_express(struct mmc_host *mmc,
                                        struct mmc_ios *ios)
{
    struct sdhci_host *host = mmc_priv(mmc);
    struct sdhci_pci_slot *slot = sdhci_priv(host);
    struct sdhci_pci_chip *chip = slot->chip;
    u8 scratch8;
    u16 scratch16;
    int ret;

    // Step 1: 禁用时钟
    sdhci_writeb(host, 0, SDHCI_CLOCK_CONTROL);

    // Step 2: 设置VDD2电压
    scratch8 = sdhci_readb(host, SDHCI_POWER_CONTROL);
    scratch8 &= 0x0F;

    if (host->mmc->ios.timing == MMC_TIMING_SD_EXP_1_2V &&
        host->mmc->caps2 & MMC_CAP2_SD_EXP_1_2V) {
        scratch8 |= SDHCI_VDD2_POWER_ON | SDHCI_VDD2_POWER_120;
    } else {
        scratch8 |= SDHCI_VDD2_POWER_ON | SDHCI_VDD2_POWER_180;
    }
    sdhci_writeb(host, scratch8, SDHCI_POWER_CONTROL);

    // Step 3: 解锁WP寄存器
    pci_read_config_byte(chip->pdev, O2_SD_LOCK_WP, &scratch8);
    scratch8 &= 0x7f;
    pci_write_config_byte(chip->pdev, O2_SD_LOCK_WP, scratch8);

    // Step 4: 等待Card发出clkreqn信号
    ret = read_poll_timeout(sdhci_readb, scratch8,
                          !(scratch8 & BIT(0)),
                          1, 30000, false, host, O2_SD_EXP_INT_REG);

    if (!ret) {
        // Step 5: 切换到PCIe模式
        scratch16 = sdhci_readw(host, O2_SD_PCIE_SWITCH);
        scratch16 |= BIT(8);  // 触发模式切换
        sdhci_writew(host, scratch16, O2_SD_PCIE_SWITCH);
    } else {
        // 切换失败，恢复到Legacy模式
        scratch8 = sdhci_readb(host, SDHCI_POWER_CONTROL);
        scratch8 &= 0x0F;
        sdhci_writeb(host, scratch8, SDHCI_POWER_CONTROL);

        host->mmc->ios.timing = MMC_TIMING_LEGACY;
        // ... 恢复到SD模式 ...
    }

    // Step 6: 锁定WP寄存器
    pci_read_config_byte(chip->pdev, O2_SD_LOCK_WP, &scratch8);
    scratch8 |= 0x80;
    pci_write_config_byte(chip->pdev, O2_SD_LOCK_WP, scratch8);

    return 0;
}

3. Capability配置

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// sdhci-pci-o2micro.c - probe_slot函数中
case PCI_DEVICE_ID_O2_GG8_9860:
case PCI_DEVICE_ID_O2_GG8_9861:
case PCI_DEVICE_ID_O2_GG8_9862:
case PCI_DEVICE_ID_O2_GG8_9863:
    // 禁用SDIO功能（GG8不支持）
    host->mmc->caps2 |= MMC_CAP2_NO_SDIO;

    // 启用SD Express支持
    host->mmc->caps2 |= MMC_CAP2_SD_EXP | MMC_CAP2_SD_EXP_1_2V;

    // 启用Hardware Reset
    host->mmc->caps |= MMC_CAP_HW_RESET;

    // 注册SD Express初始化回调
    host->mmc_host_ops.init_sd_express = sdhci_pci_o2_init_sd_express;
    break;

4. 关键寄存器定义

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// GG8 SD Express关键寄存器
#define O2_SD_PCIE_SWITCH      0x54   // PCIe模式切换寄存器
#define O2_SD_LOCK_WP          0xC8   // 写保护锁定寄存器
#define O2_SD_EXP_INT_REG      0x1E0  // Express中断寄存器
#define O2_SD_PARA_SET_REG1    0x444  // 参数设置寄存器
#define O2_SD_VDDX_CTRL_REG    0x508  // VDD控制寄存器

与MMC Core的协作流程

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│              GG8驱动与MMC Core协作流程                            │
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│   MMC Core   │     │  sdhci-pci  │     │    GG8       │
│              │     │   -o2micro  │     │   Hardware   │
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       │                    │                    │
       │  1. 枚举SD Express卡│                    │
       │───────────────────►│                    │
       │                    │                    │
       │  2. 检测SCR[60]     │                    │
       │◄───────────────────│                    │
       │                    │                    │
       │  3. 调用init_sd_express                  │
       │───────────────────►│                    │
       │                    │                    │
       │                    │ 4. 关闭SD时钟      │
       │                    │───────────────────►│
       │                    │                    │
       │                    │ 5. 设置VDD2电压   │
       │                    │───────────────────►│
       │                    │                    │
       │                    │ 6. 等待clkreqn    │
       │                    │◄───────────────────│
       │                    │                    │
       │                    │ 7. 写PCIE_SWITCH  │
       │                    │───────────────────►│
       │                    │                    │
       │                    │ 8. 卡切换PCIe模式 │
       │                    │◄───────────────────│
       │                    │                    │
       │  9. NVMe驱动接管   │                    │
       │◄───────────────────│                    │

双模式支持

GG8芯片支持两种工作模式：

模式 协议 用途
SD Legacy SD 4.0/UHS-II 兼容普通SD卡
SD Express PCIe/NVMe 高速存储

MMC Core根据卡的能力自动选择模式：

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// mmc_init_sd_express - MMC Core中的SD Express初始化
static int mmc_init_sd_express(struct mmc_host *host)
{
    // 检查卡是否支持SD Express
    if (!(card->scr[1] & SD_SCR_SD_EXPRESS))
        return -ENODEV;

    // 设置1.8V电压
    host->ios.timing = MMC_TIMING_SD_EXP;
    mmc_set_ios(host);

    // 调用Host驱动的init_sd_express回调
    if (host->ops->init_sd_express)
        ret = host->ops->init_sd_express(host, &host->ios);

    return ret;
}

总结

本文分析了Linux MMC子系统中SD Express的支持框架：

  1. MMC Core提供的能力：

    • Capability声明机制
    • 状态机管理
    • 回调接口定义

  2. GG8芯片的适配点：

    • Device ID注册
    • init_sd_express回调实现
    • PCIe模式切换控制
    • 错误恢复机制

  3. 协作流程：

    • MMC Core主导流程
    • Host驱动提供硬件操作
    • NVMe驱动负责接管

这种分层架构设计使得不同厂商的SD Express控制器可以复用通用的MMC Core代码，只需实现厂商特定的硬件操作。