標題：嵌入式Linux系統中MMC卡驅動管理技術研究
關鍵詞 Linux MMC卡 底層驅動 集群讀寫 熱拔插
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卡通信協議規范的基礎上，實現了卡的底層讀寫。然后對傳統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布讀寫命令，以加快數據讀寫，并在讀寫中實現并發控制。
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，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卡在正確發布讀寫命令以后，系統會產生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中的狀態信息，再根據這些狀態信息判斷命令是否發布成功和卡的當前狀態。如果這些狀態信息表示命令執行成功，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)；如果返回的狀態信息表明命令執行不成功，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，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，發布讀寫命令；
Interruptible_sleep_on()； ／*進入可打斷睡眠狀態，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；
被DMA傳輸完畢中斷喚醒，發布結束傳輸命令，結束數據傳輸；
2．2 集群(clustering)讀寫和并發控制
2．2．1 傳統的塊設備驅動程序結構和不足
塊沒備驅動程序是Linux系統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(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，每個塊都需要有自己的內存緩沖區。緩沖區首部(buffer_head)是與每個緩沖區相關的數據結構，每次對塊沒備的I／O傳輸都必須經過塊的緩沖區。
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
傳統的塊設備驅動程序中每次發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結構對應的內存區域。在一個buffer_head結構的緩沖區讀寫滿了以后，就調整讀寫緩沖區地址為下一個buffer_head所指向的緩沖區，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；
緩沖區的指針指向第1個bh結構所指的緩沖區；
while(數據還沒有讀完){
讀入數據到buffer_head結構所指定的緩沖區；／*調用Pxa_read_mmc()*／
調整緩沖區的指針到下一個buffer_head結構所指向的緩沖區；
}
}
2．2．3集群讀寫中的并發控制
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，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。
2.4 電源管理
嵌入式系統一般有低功耗要求，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，它的優先級是所有運行進程中最低的。當系統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。如果發現該設備長期沒有運行，則向該設備發出PM_SUSPEND事件；而當設備重新開始使用時，則向pm_list隊列發出：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卡的當前狀態和重要寄存器的內容，如時鐘寄存器MMC_CLKRT和狀態寄存器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。在文件系統的接口file_operaion io_control中留有電源理管理接口，用戶可以通過io_contol向卡發送電源事件請求。
2.5 熱插拔管理
在手機、PDA等嵌入式系統中，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在系統層和應用層都要對熱插拔事件進行處理。在系統層，一方面要探測MMC卡的熱插拔事件，分配或釋放系統資源，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，獲取所發生的事件。
在應用層，進程通過select機制監聽MMC卡所發生的熱插拔事件，在沒有拔插事件的時候，進程進入阻塞狀態，讓出CPU資源；當發生熱拔插事件時，系統喚醒通過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塊設備驅動的一種好方法。