SD Express驱动：SOC非hot-plug平台的驱动切换方案
概述
本文介绍一种适用于不支持PCIe热插拔的嵌入式平台的SD Express卡模式切换方案。
方案背景
传统PC平台的PCIe插槽支持硬件热插拔（Hot-Plug），但嵌入式相机平台通常采用贴片式SD卡槽，不具备热插拔能力。当SD Express卡需要从SD模式切换到PCIe/NVMe高速模式时，存在几秒的链路断开窗口期。本文介绍如何通过软件方式实现这一切换。
整体架构(硬件与驱动流水)
整体架构(软件模块)
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│ 嵌入式平台 SD Express 模式切换架构 │
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│ Linux Kernel Space │
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│ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │
│ │ NVMe Driver │ │ bht-sd │ │
│ │ (PCIe模式) │◄──►│ (SD模式) │ │
│ └─────────────┘ └──────┬──────┘ │
│ ▲ │ │
│ │ ▼ │
│ ┌──────┴──────────────────────────┐ │
│ │ SD Express Mode Switch Module │ │
│ │ • PCIe Bus Rescan │ │
│ │ • Runtime PM Control │ │
│ │ • Card Mode Detection │ │
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│ ▲ │
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│ ┌───────────────┴─────────────────┐ │
│ │ SD Host Controller (PCIe EP) │ │
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│ ┌─────────────────────────────────┐ │
│ │ SD Express Card │ │
│ │ [SD Mode] ◄──► [PCIe Mode] │ │
│ └─────────────────────────────────┘ │
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工作模式：
• 模式1: SD协议 → bht-sd SCSI驱动
• 模式2: PCIe/NVMe → 内核NVMe驱动
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两种工作模式
SD Express卡支持两种工作模式：
| 模式 |
协议 |
驱动 |
典型速度 |
| SD模式 |
SD 4.0/UHS-II |
bht-sd (自定义) |
~200 MB/s |
| PCIe模式 |
NVMe |
内核nvme |
~1 GB/s |
核心问题：为什么需要软件介入切换？
PC平台 vs 嵌入式平台
| 特性 |
PC平台 |
嵌入式平台 |
| PCIe插槽 |
标准化热插拔 |
贴片式，无热插拔 |
| 链路断开 |
硬件中断通知 |
软件轮询检测 |
| Root Port |
标准ACPI电源管理 |
定制BSP |
| 模式切换 |
固件/ACPI处理 |
需软件模拟 |
问题分析
当SD Express卡执行SD 7.0协议切换到PCIe模式时：
- 链路断开阶段：卡停止响应SD命令，PCIe链路Down
- 模式切换阶段：卡内部完成协议切换（1-3秒）
- 链路恢复阶段：PCIe重新Link Up
在阶段2和阶段3之间，嵌入式平台的Root Port可能因Runtime PM进入D3状态，导致：
- 无法访问设备配置空间
- NVMe驱动无法枚举设备
- 模式切换失败
关键代码实现
1. 模式切换触发机制
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#if defined(SD_EXPRESS_NO_HOT_PLUG)
if(card->pcie_init_flag == TRUE)
{
schedule_delayed_work(&host->detect, msecs_to_jiffies(1000));
return TRUE;
}
#endif
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2. Runtime PM Forbid机制
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void mmc_rescan(struct work_struct *work)
{
sd_host_t *host = container_of(work, sd_host_t, detect.work);
struct pci_dev *pdev = host->pci_dev.pci_dev;
struct pci_bus *bus = pdev->bus;
struct pci_dev *bridge = bus->self;
pm_runtime_forbid(&bridge->dev);
bht_pci_remove(pdev);
bht_pci_rescan(bus);
pm_runtime_allow(&bridge->dev);
}
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3. PCI总线重新扫描
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static int bht_pci_rescan(struct pci_bus *bus)
{
struct pci_dev *bridge = bus->self;
struct pci_bus *parent = bridge->subordinate;
int rescan_cnt = 10;
pci_lock_rescan_remove();
dev = pci_get_slot(parent, PCI_DEVFN(0, 0));
if (dev) {
pci_dev_put(dev);
goto out;
}
rescan:
num = pci_scan_slot(parent, PCI_DEVFN(0, 0));
if (num == 0) {
msleep(1000);
if(!rescan_cnt--)
goto out;
else
goto rescan;
}
for_each_pci_bridge(dev, parent)
pci_hp_add_bridge(dev);
pci_assign_unassigned_bridge_resources(bridge);
pcie_bus_configure_settings(parent);
pci_bus_add_devices(parent);
out:
pci_unlock_rescan_remove();
return ret;
}
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SD模式 → PCIe模式完整流程
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│ SD Express 模式切换流程 │
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│ 阶段1 │ │ 阶段2 │ │ 阶段3 │
│ 链路断开 │────►│ 模式切换 │────►│ 链路恢复 │
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│ │ │
▼ ▼ ▼
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│ bht-sd驱动 │ │ SD 7.0协议 │ │ Runtime PM │
│ 检测链路断开 │ │ 卡内部切换 │ │ forbid D3 │
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│
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┌──────────────────────────────────────┐
│ PCIe Bus Rescan │
│ • pci_scan_slot() │
│ • 内核发现NVMe设备 │
│ • nvme驱动加载 │
│ • 设备挂载 /dev/nvmeXn1 │
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│
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┌──────────────────────────────────────┐
│ pm_runtime_allow() - 恢复电源管理 │
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PCIe模式 → SD模式（拔卡场景）
当SD Express卡从PCIe模式拔出时，需要切换回SD模式供下次使用：
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void bht_sd_remove(struct pci_dev *pdev)
{
bht_sd_slot_t *slot = pci_get_drvdata(pdev);
bht_dev_ext_t *pdx = &slot->data;
bht_sd_runtime_pm_forbid(pdx, &pdev->dev);
bht_scsi_uinit(pdx);
if(os_stop_thread(&pdx->os, &pdx->os.thread) == FALSE)
{
os_kill_thread(&pdx->os, &pdx->os.thread);
}
req_global_uninit(pdx);
bht_sd_pci_release(pdx);
os_memset(slot, 0, sizeof(bht_sd_slot_t));
}
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重新插入时的处理
当SD Express卡重新插入时，bht-sd驱动会自动检测并重新初始化：
- 卡插入检测（轮询GPIO）
- SD协议初始化
- 检测SD Express能力
- 重复上述模式切换流程
NVMe驱动侧修改
虽然模式切换主要由bht-sd驱动控制，但NVMe驱动侧需要适配嵌入式平台的特殊需求：
1. 禁用热插拔检测
嵌入式平台不需要NVMe驱动进行热插拔检测：
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nvme_core.no_dev_online = true;
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2. 适配延迟枚举
在bht_pci_rescan中，NVMe驱动会接收到新设备，需要适配延迟场景：
3. 设备命名稳定性
确保设备路径稳定，避免/dev/nvme0n1变成/dev/nvme1n1：
关键数据结构
pcie_init_flag标志
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typedef struct {
bool card_support_pcie;
bool pcie_init_flag;
} sd_card_t;
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FALSE：卡不支持PCIe或初始化失败，维持SD模式TRUE：PCIe初始化成功，触发模式切换流程
delayed_work结构
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typedef struct {
struct delayed_work detect;
} sd_host_t;
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Windows驱动参考
Windows端存在类似问题：某些Intel平台的PCIe Root Port在SD Express切换的disconnect窗口期内进入Runtime D3。
问题表现
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| DeviceIoControl读取寄存器返回0xFFFF/0x0000 → 检测到D3模式
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解决方案
- INF配置：禁用Runtime D3Cold
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| [DriverInstallx64.NT.HW]
Needs = PciD3ColdNotSupported.HW
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- 驱动代码：在切换前阻止D3
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StorPortAcquireMinidumpMutex(pdx);
StorPortReleaseMinidumpMutex(pdx);
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总结
本方案通过软件方式在不支持硬件热插拔的嵌入式平台上实现了SD Express卡的模式切换：
- Runtime PM干预：确保切换过程中Root Port保持D0状态
- PCIe总线重新扫描：让NVMe驱动接管PCIe模式设备
- 延迟工作队列：避免在链路不稳定时进行操作
- 完整的模式回退：拔卡后可正常切换回SD模式
这种设计对于采用贴片式SD卡槽、不支持传统PCIe热插拔的嵌入式项目具有重要参考价值。