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1、http:/-1-基于基于 ARM9 微处理器与微处理器与 Linux 操作系统的操作系统的 SD 驱动开发驱动开发 潘永新，刘杰，范春晓，邹俊伟 北京邮电大学电子工程学院，北京(100876)E-mail： 摘摘 要：要：本文是基于 ARM9-S3C2410 微处理器为硬件平台，以开放源代码的 Linux 为嵌入式操作系统，设计并实现了 SD 卡的驱动程序。主要从 SD 卡的内部通信模式和驱动开发两个方面加以阐述说明。关键词：关键词：驱动程序；嵌入式；SD 卡；ARM；Linux 1.引言引言 SD 卡的全称是 Secure Digital Card，是由日本松下公司、东芝公司和美国 San
2、disk 公司共同开发研制的新型存储卡产品。SD 存储卡是一个安全开放的标准。SD 卡它的封装技术较为先进，而且目前已经相当成熟。它的最大的特点是通过加密功能，可以保证数据资料的安全保密。它还具备版权保护技术，所采用的版权保护技术是 DVD 中使用的 CPRM 技术1。因此，SD 卡广泛应用在移动电话，数码相机，数码摄像机，MP3，PDA 等多种数码产品上。本文将介绍基于开放源代码的Linux操作系统和三星公司的ARM9-S3C2410处理器的SD设备驱动的实现过程。2.系统硬件平台系统硬件平台 嵌入式Linux可以运行的硬件平台十分广泛，从x86、MIPS、POWERPC到ARM，以及其他许
3、多硬件体系结构。本次开发所采用的硬件平台是基于ARM9体系结构的Nano2410A V2.0开发板，处理器型号是S3C2410，该微处理器是一款由三星公司为手持设备设计的体积小、低功耗、低成本、高性能、高度集成的32位微处理器。采用五级流水线，指令与数据分离的Cache，时钟频率最高可达266MHz，具有MMU功能，支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集，具有31个通用寄存器和6个状态寄存器，片内外围线路包含SD/MMC接口，可以通过处理器实现对SD/MMC卡的操作3。在该硬件平台上已经包含了可以正常运行于其上的Linux操作系统。该系统的硬件平台框架图如下所示：图1 系统硬件平台
4、框图 http:/-2-3.SD 卡的相关描述卡的相关描述 3.1 SD 卡的总线引脚信号卡的总线引脚信号(1)CLK：时钟信号。(2)CMD：命令/响应信号。(3)DAT0-DAT3：双向数据传输信号。(4)VDD，Vss1，Vss2：电源和地信号。其原理图如下所示：表1 SD卡引脚描述 引脚 名称 类型 1 CD/DAT3卡探测/数据线Bit3 2 CMD 命令/响应 3 VSS1 电源地 4 VDD 电源 5 CLK 时钟 6 VSS2 电源地 7 DAT0 数据线Bit0 8 DAT1 数据线Bit1 9 DAT2 数据线Bit2 3.2 SD 卡的寄存器卡的寄存器 SD卡接口定义了6
5、个寄存器：OCR，CID，CSD，RCA，DSR和SCR。这些寄存器仅可以通过响应的命令来读取。OCR，CID，CSD和SCR寄存器包含卡的状态信息，而RCA和DSR寄存器存储卡的实际配置参数2。表2 SD卡寄存器描述 名称 位宽 描述 OCR 32 操作条件寄存器 CID 128 ID卡标志寄存器，每个卡惟一 CSD 128 SD特定数据寄存器，存储关于卡的操作条件 RCA 16 卡相对地址寄存器，卡在系统中的局部地址 DSR 16 驱动电压配置寄存器，配置卡的输出驱动 SCR 64 SD配置寄存器，存储关于卡的特征和性能 3.3 SD 卡的通信模式卡的通信模式 主机和 SD 卡之间的通信过
6、程由主机统一控制。SD 卡通信中使用两种模式：卡识别模式和数据传输模式。(1)卡识别模式。主机复位后进入卡识别模式来搜索新卡。卡会保持该种模式直到收到命令 SEND_RCA(CMD3)。在该种模式中，主机复位所有 SD 卡，校验操作电压范围，请求SD 相对卡地址(RCA)。该种操作通过选择他们的命令线依次对每个 SD 卡进行。在卡识别模式下进行的数据通信全部在 CMD 线上传输。流程图如图 2 所示。http:/-3-图2 SD卡识别过程 (2)数据传输模式。卡识别过程结束后，进入数据传输模式。在该模式中，主机发送SEND_CSD(CMD9)命令获取卡的 CSD 寄存器的内容(例如传输块的长度
7、和卡存储容量)。发送 CMD7 命令来选择一个卡进入传输状态，在任意时刻，只有一个卡可以处于该状态。SD卡读写数据通常按块读写，因此需要设定数据块的大小。通常与文件系统类似，我们将其设定为 512 字节。每次读写均是该数据块的整数倍。其中写命令必须在 SD 卡处于非选定状态之前停止。命令 CMD17/CMD18 和 CMD24/CMD25 分别是对卡读一个或多个和写一个或多个数据块，这些数据都会在末尾附有 CRC 校验码，当校验失败，所传数据均会被丢弃，数据读写操作也会被终止。4.Linux 下下 SD 卡驱动的实现卡驱动的实现 4.1 驱动程序的开发驱动程序的开发 驱动程序是应用和硬件设备之
8、间的一个软件层。它的主要作用在于提供应用程序访问硬件设备的机制4。Linux 系统将设备驱动分成三种类型：(1)字符设备：能够像字节流一样访问的设备，比如键盘，打印机等(2)块设备：通常是按照块为单位来访问数据的设备，每次访问都应该是块的整数倍，比如磁盘，SD 卡等。(3)网络设备：任何网络事务都要经过一个网络接口，即一个能够和其他主机交换数据的设备。比如网卡。SD 卡通过数据块实现读写信息的操作，所以需要将 SD 卡的实现为一个块设备驱动程序来完成系统及应用程序对它的访问。在 Linux 系统中共有两种程序运行状态：用户态和核心态。驱动程序属于 Linux 内核的一部分，所以驱动程序运行于内
9、核态。它可以通过编译进内核或者动态加载模块的方式整合http:/-4-进系统中。其中模块方式具有灵活、方便、易于调试等诸多优点，因此我们采用后者进行开发。为了实现驱动模块的加载和卸载，需要在驱动程序中实现两个函数：用于内核加载模块时调用的 init_module 函数和模块卸载之前调用的 cleanup_module 函数。在加载 SD 卡的驱动模块时，应先将 SD 卡作为块设备在系统中进行注册，以便其他程序需要访问时可以从系统中找到它。而在模块卸载时，需要将其注销，以便下次注册时能正确执行。调用过程如图 3 所示，这两个函数原型如下：#include int register_blkdev(
10、unsigned int major,const char*name,struct block_device_operations*sdops)；int unregister_blkdev(unsigned int major,const char*name)；第一个参数 major 表示注册设备的主设备号，当它的值为 0 的时候，表示给设备动态分配主设备号，并将该设备号返回给调用者，若返回一个负值表示错误。第二个参数 name 表示设备名称。第三个参数 block_device_operations 是一个结构体类型的数据，它里面定义了对 SD 块设备的各种操作函数成员。注销函数的参数必须与
11、 register_blkdev 的参数相匹配，否则会返回-ENINVAL，并不做任何注销工作。block_device_operations 结构体定义如下：struct block_device_operations int(*open)(struct inode*inode,struct file*filp);int(*release)(struct inode*inode,struct file*filp);int(*ioctl)(struct inode*inode,struct file*filp,unsigned cmd,unsigned long arg);int(*check
12、_media_change)(kdev_t dev);int(*revalidate)(kdev_t dev);其中 open 和 release 函数分别实现设备的打开和释放的操作；ioctl 完成不同设备的特殊化操作，块设备会截取大量的标准请求，因此大多数的块设备的 ioctl 函数都十分短小；check_media_change 主要作用检测介质是否发生变化，该函数只适用于那些支持可移动介质的驱动器；revalidate 函数作用是当介质被更换时，告诉驱动程序完成必要的工作，以便使用新的介质。在这个重要的结构体中并没有实现关键的块设备的读写功能。在 Linux 块设备中通常使用请求队列来
13、完成读写操作。每一个设备都有一个请求队列，它包含着块设备 I/O 请求的序列。系统会自动将处理请求连接成请求队列，启动对请求的响应，并且保证所有的请求最终被驱动程所处理。请求队列的处理函数原型如下：#include static void sd_request(request_queue_t*q);处理请求队列的过程大致分为：测试请求的有效性；执行实际的数据传输；清除已经处理过的请求；返回开头，开始处理下一条请求。驱动程序使用函数 blk_init_queue 来初始化一个请求队列，并把实际的传输函数传递给队列。请求队列的创建和删除函数原型如下：blk_init_queue(request_q
14、ueue_t*queue,&dev-lock);blk_cleanup_queue(request_queue_t*queue);SD 卡的读写操作是在这个队列处理函数中完成的，这个函数通过轮询的方式不断查看请求队列中是否有任务，然后根据 cmd 命令域来判断是读操作还是写操作，并由相应的硬http:/-5-件来执行。在驱动程序中还有两个重要的函数，驱动程序调用函数 refile_buffer()告诉核心准备改变缓冲块的状态；调用 mark_buffer_uptodate()告诉核心已完成对缓冲区的操作，用于保证缓冲高速缓存保持正确，防止有错误指向的指针，它的第二个参数为 1 表示传输成功；为
15、0 表示传输失败5。其中，SD 卡的函数调用以及驱动框图如图 3 所示：图3 SD卡的驱动架构图 4.2 驱动程序的实现驱动程序的实现 使用驱动程序的目的是为了使用其支持的设备。块设备是文件的载体，使用块设备实际上就是把块设备映射到指定的目录。在 Linux 中，几乎把所有的东西都当作文件，块设备也不例外。每个设备都有对应的特殊文件，也叫设备文件或是节点文件。设备文件一般存储在/dev 目录下。建立设备文件的命令如下：#mknod /dev/sd b 主设备号 次设备号 在执行此命令之后，在/dev 目录下将建立一个名叫 sd 的设备文件。此时应用程序若要访问 SD 卡，只需用系统提供的接口函
16、数对该设备文件进行操作即可。当然在建立设备节点文件之前应当将 sd 驱动模块通过#insmod sd.ko 命令加载到系统当中。当 SD 设备插入系统时，可以通过 mount 命令将 SD 卡挂载到 Linux 文件系统上，它的命令格式为：#mount sd 块设备文件 映射目录(可包含路径)http:/-6-以后对映射目录的文件进行的读写操作即是对 SD 卡的读写操作。当对映射目录读写完毕后，可以通过#umount 映射目录(可包含路径)命令取消目录映射。若不再使用驱动程序时可以卸载它，这时调用#rmmod sd 命令实现驱动模块的卸载。从而实现了对 SD 驱动的灵活管理。5.总结总结 到目
17、前为止已经完成了 SD 卡在 Linux 下的驱动程序，它可以驱动 SD 存储卡，实现卡上数据的存储读取，实现支持 SD 卡功能的手持设备的 SD 卡的正常工作。可以以此工作为基础进一步开发基于 SD 接口的字符设备产品的驱动，例如：SD 安全 Key，SDIO 卡等。参考文献参考文献 1 SD Group.SD Memory Card Specification Part1 Physical Layer Specification version1.01.2000.2 SD Group.SD Memory Card Specification Part2 File System Specif
18、ication version1.01.2000.3 S3C2410 datasheets Samsung ElectronicsCo,Ltd.2003 4 Jonathan Corbet,Alessandro Rubini&GregKroah-Hartman Linux Device Drivers OReilly Inc.2006 5 Robert Love.Linux Kernel Development Second Edition.机械工业出版社，2006 SD Driver Development Based on ARM9 Micro-processor and Linux Sy
19、stem Pan Yongxin,Liu Jie,Fan Chunxiao,Zou Junwei School of Electronic Engineering,BUPT,Beijing(100876)Abstract Based on the hardware platform with build-in micro-processor ARM9-S3C2410 and embeded system of open-sourced Linux,this paper aims at the design and realization of the driver program of SD card.The communication pattern inside the SD card and the driver program developing are illustrated.Keywords:Linux driver;Embedded;SD card;ARM;Linux 作者简介作者简介：潘永新(1982.2-)，男，北京邮电大学电子工程学院研究生，专业方向：通信与信息系统。