第十六章 iNand和SD卡
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1、iNand介绍
1.1、iNand/eMMC/SDCard/MMCCard的关联
最早出现的是MMC卡，卡片式结构，按照MMC协议设计。相比于Nand来说，MMC有两个优势：第一卡片化，便于拆装；第二是统一了协议接口，兼容性好。
后来出现的SD卡，兼容MMC协议。SD卡较MMC卡有一些改进，如写保护，速率，容量等。SD卡遵循SD协议，有多个版本。多个版本之间是向前兼容。
iNand/eMMC在SD卡的基础上发展起来，较SD卡的区别就是将SD卡芯片化了（解决卡的接触不良问题，便于设备迷你化）。
iNand和eMMC的关联：MMC是协议，eMMC具备MMC协议的芯片。iNand是Sandisk公司符合MMC协议的一种芯片系列名称。
1.2、iNand/eMMC的结构框图及其与Nand的区别
iNand内部也是由存储系统和接口电路构成（那Nand结构特性类似，不同之处在于接口电路功能不同）
iNand的接口电路负责，功能较多。如：
第一：提供eMMC接口协议，和soc的的eMMC接口控制器通信对接
第二：提供块的ECC校验相关的逻辑，也就是iNand本身自己完成存储系统的ECC功能，soc使用iNand时自己不用写代码进行ECC相关操作，大大简化了soc的编程难度。
第三：iNand芯片内部使用MLC Nand颗粒，所以性价比很高。
第四：iNand接口电路提供了cache机制，所以iNand的操作速度很快。
1.3、iNand/eMMC的物理接口与SD卡物理接口区别
iNand/eMMC接口，8根数据线，一根时钟线，一根命令线。
SD卡，4根数据线，1根时钟线，一根命令线，一根使能线。
S5pv210本身支持4通道的SD/MMC，在九鼎开发板上，通道0接了iNand芯片，在通道2接了SD卡，通道3也接了SD卡。
对比两个的物理接口接线，结论：两个接口几乎一样，唯一的区别是SD卡IO线有4根，iNand的IO线有8根。
因此，操作iNand芯片时和操作SD卡时几乎是一样的（物理接线几乎一样，软件操作协议几乎一样）。
结论：iNand/eMMC其实就是芯片化的SD/MMC卡，软件操作和SD卡相同。
分析iNand芯片的操作代码时，其实就是以前的SD卡的操作代码。一些细节的区别就是为了区分各种不同版本的SD卡、iNand的细节差异。
2、SD卡/iNand操作
2.1、硬件接口：DATA、CLK、CMD
iNand的DATA有8根，支持1、4、8并行传输模式；SD的DATA有4根，支持1、4并行数据传输。
CMD用来传输命令，CLK用来传输时钟。
接口有CLK线，工作时主机soc通过CLK线传输时钟信号给SD卡/iNand芯片。说明：SD/iNand是工作在同步模式下，SD/iNand的工作速率是由主机给他的CLK频率决定的。
2.2、命令响应的操作模式
命令从主机发到卡，响应从卡到主机。
SD协议事先定义了很多标准命令（CMD0，CMD1，。。。。），每个命令都有它的作用和使用条件和对应的响应。SD卡工作的时候就是一个一个的命令周期组合起来的，在一个命令周期中，主机先发送CMD给SD卡，然后SD卡解析这个命令并且执行这个命令，然后SD卡根据结果回发给主机soc一个响应。（有些命令是不需要响应的，这时候SD卡不会给主机回发响应，主机也不用等待响应）。标准的命令+响应的周期中，主机发完一个命令后，应该等待SD卡的响应而不是接着发下一条命令。
3、SD/iNand的体系结构图
SD卡内部有一个接口控制器，这个控制器类似于一个单片机（据说是51单片机），这个单片机的程序功能就是通过CMD线接收外部主机soc发给SD卡的命令码，然后执行这个命令并且回发响应给数据soc。这个单片机处理命令及回发响应遵循的就是SD协议。这个单片机同时可以控制SD卡内部的存储单元，可以读写存储单元。
4、SD/iNand的寄存器（重点是RCA寄存器）
这里的寄存器是指SD卡内部的寄存器，而不是主机soc的SD控制器的寄存器。（很多外置芯片内部都是有寄存器的，这些寄存器可以按照一定的规则访问，访问这些寄存器可以得知芯片的一些信息）
寄存器如下：
RCA（relative address，相对地址寄存器）。访问SD卡时，实际上SD内部的存储单元的地址没有绝对数字，都是使用相对地址。相对地址由SD卡自己决定的，存放在RCA寄存器中。
5、Soc的SD/MMC/iNand控制器简介
不同的soc可能在SD/MMC/iNand等支持方面有差异，但是如果支持都是通过内部提供SD控制器来支持的。
S5pv210的SD卡控制器在1031页。特性如下：
6、SD/iNand程序分析
6.1、SD卡工作在命令码+响应的模式下
使用宏定义进行命令的定义。
SD协议的命令分两种：CMDx和ACMDx。CMD是单命令，就是单独发一个CMD可表示一个意思。ACMD是一种扩展，就是发两个CMD加起来表示一个意思。可以认为ACMDx = CMDy （y一般是55）+ CMDz。
6.2、卡类型识别SD or MMC
MMC协议、SD协议、eMMC协议本身是一脉相承的，所以造成了一定的兼容性，所以当soc控制器工作时连接到soc的可能是一个MMC卡、也可能是SD卡、也可能是iNand芯片。主机的soc需要取识别这个卡到底是什么版本的卡。
使用宏定义定义了一些类型。
因为不同版本的卡内部协议是不同的，所以对卡识别命令的响应也是不同的，soc通过发送一些命令，读取响应就可以根据不同的响应判断卡的版本类型。
6.3、卡状态
SD卡内部的接口控制器类似于一个单片机，这个单片机的工作其实是一个状态机。所以SD卡任何时候都有一种状态（空闲状态、准备好状态、读写状态、出错状态。。。都是实现定义好的），在这种状态下，能够接收的命令是一定的，接收到命令后执行一定的操作然后根据操作结果会跳转为其他状态。如果主机发送的命令和当前状态不符合，那状态机就不响应。如果收到的命令和当前状态相符，就会执行响应操作，执行完毕后，根据结果跳转为另外的状态。
如上图，有若干个状态，在每个状态可以执行特定的操作。
使用宏定义卡的状态：
6.4、卡回复类型
一般来说，SD卡的命令都属于：命令+响应的模式。也是有极少数的SD卡命令是不需要回复的。
卡回复有多种类型，每种卡回复类型都有自己的解析规则。然后卡在特定状态下响应特定命令时有可能回复的响应都是SD协议事先规定好的。
如下，使用宏定义定义响应。
6.5、Linux内核风格的寄存器定义
使用基地址加偏移来进行寄存器的定义。
使用以下四种方式来定义寄存器。
其中vu_xxx，是通过typedef定义的别名。
6.6、SD控制器初始化 int Hsmmc_Init(void)
6.6.1、GPIO初始化
使用宏编译，选择编译哪一通道的SD/MMC的代码。
以通道0为例，查看原理图，得知接到通道0的iNand的MMC接口和GPG0，GPG1复用，所以首先要设置这些GPIO为SD/MMC功能。
查看210数据手册，GPG0,和SD有关。
而GPG1，可以当做SD的DATA[7:4]:
设置管脚为SD功能，开启上拉，设置驱动强度为最强
6.6.2、SD控制器时钟设置
两个寄存器比较重要，SRC寄存器（控制源时钟选择），DIV（控制对源时钟的分频）。
CLK_SRC4的最低16位控制SD/MMC的4个通道的时钟源选择。
CLK_DIV4低16位控制SD/MMC的4个通道的对时钟源分频。
选择时钟源为SLCKEPLL，分频值为2，所以SCLK_MMCC0-3的时钟是48M。
6.6.3、对SD控制器进行全复位
这个复位不是复位SD卡，复位SD卡需要发送命令，而是复位SD控制器，并判断复位是否结束。这一步操作和soc的SD控制器有关，有的不需要复位。
SWRSTx寄存器有4个，每个对应各自的通道。
有3种复位，一种是复位数据，一种是复位命令，一种是都复位。这里是进行都复位，也就是将寄存器的最低位置1。在复位期间这一位一直为1，当复位结束后，这一位会为0，所以判断这一位为0，说明复位结束。
6.6.4、设置SD卡的时钟
SD卡内部没有时钟，需要外部提供时钟，因为需要设置外部提供给SD卡的时钟，也就是MMC_CLK。
此时刚开始和SD卡通信，soc不清楚SD卡属于哪个版本（高版本和低版本的读写速率不同，高版本的可以工作在低版本的速率下，而低版本的SD卡不能工作在高版本的速率下），所以先设置外部SD卡的时钟为低速率40K时钟，以便和SD卡通信，后面根据读取SD的类型，在设置时钟。
对于Hsmmc_SetClock函数，这个是设置MMC_CLK的时钟。
操作为以下几步：
第一步：关闭时钟
第二步：设置时钟
第三步：开启时钟
对于Hsmmc_ClockOn函数，有两个参数，1表示开启时钟，0表示关闭时钟。
主要是和CLKCON寄存器打交道。该寄存器也有4个，分别对于不同通道的SD的CLK设置。
这里用到的是第2位和第3位。第2位控制外部SD卡的时钟是否使能。使能之后，时钟不是马上就稳定的，需要检测第3位，为1说明时钟稳定，为0说明时钟不稳定，需要等待。
设置外部SD时钟。主要和CONTROL2，CONTROL3寄存器有关系。根据要设置的时钟值，设置CONTROL3。这里主要是设置反馈时钟模式。当外部SD卡时钟较高时，对于时钟要进行反馈，为了时钟的准确，会对时钟进行校准。对于频率比较低的时钟，不需要使用反馈时钟。
设置反馈模式后，需要开始反馈时钟，就在CONTROL2寄存器中设置。也就是14位和15位要置1，使能反馈时钟。
时钟源选择SCLK_MMC，也就是48M时钟。
将最高两位置1。
设置外部SD时钟的分频值，以设置外部的时钟。
这里采用一个C语言技巧，来得到分频值。先得到48MH/2^n 最接近设置时钟的n值。然后再将该值处理写入到CLKCON寄存器的[15:8]位，以设置分频值。
并开启内部时钟。
时钟设置完毕后，检测内部时钟是否稳定，最后使能外部SD时钟。
6.6.5、设置超时时间和速度模式
寄存器设置超时时间，用于数据线超时检测。超时后，会在中断状态寄存器标明。使用的时钟是TMCLK。
6.6.6、设置控制器寄存器
设置物理特性。如数据模式，命令数据什么边沿输出，DMA使用以及额外的数据位宽扩展等。
程序中将第2位清零，表明主机的命令和数据输出都是在时钟的下降沿变化，因为对于外部SD/MMC卡，命令和数据是上升沿有效，对于soc的SD/MMC控制器来说，命令和数据就需要在时钟下降沿变化，以满足数据时序的建立/保持时间。
6.6.7、清除中断标志位
两个寄存器。
NORINTSTS 普通中断状态寄存器，当对应中断开启后，会将对应状态位会置1，写入1，清除中断标志位。初始化的时候，需要将之都清除。
ERRINTSTS ：错误中断状态寄存器，发生错误，如果错误使能，会将对应位置1。初始化需要置1，清除错误中断状态位。
6.6.8、中断、错误使能
将所有中断、错误都使能。
6.7、发送命令函数
对于发送命令Hsmmc_IssueCommand函数。
需要检测是否可以发命令，这个查看寄存器PRNSTS，最低两位，一个判断数据线，一个判断命令线。发送命令前，需要检查是否能够发命令，也就是看这个寄存器的第0位。
如果命令还需要数据线参与，那么还需要检查数据线是否可以发送数据。
写入参数，每个命令都是带有参数的。
写命令：
该寄存器CMDREG命令寄存器，往这个寄存器写值，SD控制器会把命令和参数给发送给SD卡。
[13:8]位是命令。
后面的位是说明命令的。
Command type是命令的类型。不同的命令，这个地方要写入不同的值。
DATAPRNT： 数据选择，有的命令需要数据线参与，需要数据线参与的，这一位要置1。
ENCMDIDC: 使能响应的索引检查。响应中有一个索引和目录的索引是一样的，可以通过检查该索引，判断是否有错误。
ENCMDCRC: 检查响应的CRC。
RSPTYP: 响应数据的长度。
将数据写入到命令寄存器后，SD控制器会将该命令发送出去，并自动读取响应到寄存器CMPRSP中。CMPRSP寄存器有4个。
寄存器的内容：
对于不同的响应，值存的地方不一样。
命令发送完毕后，需要等待命令结束。
对于Hsmmc_WaitForCommandDone函数。
其实就是读取NORINTSTS寄存器的15位，当传输出现错误后，该位会置1。出现错误后，读取错误中断状态寄存器，得到错误号返回。
如果命令传输成功后，NORINTSTS寄存器的第0位会置1，表示命令完成。
经过以上的操作，命令发送就结束了。返回0，说明命令发送成功。
6.8、SD卡初始化序列
初始化序列根据下图来进行。
发送CMD0，复位SD卡。
发送CMD8，判断是否有响应。
无响应。会出现超时，于是ERRINTSTS寄存器的最低位会为1，说明没有响应。而发送命令函数，如果没有响应，会将这个ERRINTSTS寄存器的值给返回回来，为1，说明未响应，可能是SD1.0版本，或者是没有卡。
然后发送ACMD41命令，而发ACMD41命令，其实是两个命令的组合，一个CMD55，一个CMD41，如果有响应，说明是SD1.0卡，没有响应说明识别卡错误。
对于有响应，发送命令函数会返回0，执行else的程序。
读取响应，判断卡支持的电压，如果电压不对，返回错误。然后再发送ACMD14命令，读取响应，判断卡的类型。
当判断卡的类型后，需要发送CMD2和CMD3。让卡就绪。
发送CMD3，读取RCA的值，SD卡进入stand-by状态。
发送CMD7。SD卡进入transfer状态。
最后获取SCR。
然后根据SCR的类型，设置外部SD卡的时钟。
设置数据位宽为4。
发送CMD16，设置块长度为512字节。读取SD卡的CSD寄存器，得到卡的一些信息。返回0表示初始化成功。
初始化完后，SD卡进入transfer状态了。
初始化不成功的话，返回-1。
6.9、SD卡操作
SD卡的操作就根据以下的图来进行操作了。
发送CMD3命令后，SD卡进入stand-by状态了。要对SD卡进行读写，要进入transfer状态，发送CMD7命令。所以初始化中，发送完CMD3命令后，再发送CMD7命令，SD卡进入transfer状态，就可以进行读写了。
6.9.1、SD的block读
对于Hsmmc_ReadBlock函数
先将中断和错误都清掉。
函数能实现读多块的功能，所以外面有一个while循环，判断多块读是否完成。SD卡一次最多能够读65536块（由SD卡控制器决定），当需要读的块数大于65536后，就要分多次读。
BLKSIZE寄存器，设置块大小，以及DMA数据长度。将块大小设置为512字节。DMA没有使用的话，设置为最大长度。
CLKCNT寄存器，设置传输的块数。
在多块数据传输时，这个寄存器每传输完一块，就会减一，减到0，就停止数据传输。
要设置这个值，必须是要没有数据传输的时候设置。在数据传输过程中，读这个寄存器返回非法的数，写这个寄存器无效。这里能传输的最大块数为65535，所以之前的程序需要对传输的块数进行处理。
设置读的地址。对于SDHC卡，地址是块地址。对于V1和V2版本，是字节地址，所以需要块 * 512，得到字节地址。
得到下一次读块的地址。
写入命令参数，对于读SD，参数是读取数据的地址。
这里，读分成两种，一种是读一块，一种是读多块。
读一块使用的命令是CMD17，第多块使用的命令是CMD18。
TRNMOD寄存器，设置传输模式。
第五位：MUL1SIN0 ，多块操作使能。对于读一块，设置为0。对于读多块，要设置为1。每读取一块数据，BLKCNT寄存器会减一，当减到0的时候，读取结束。
第四位: RD1WT0 , 数据传输模式， 1读，0是写。 对于读操作，设置为1.
第二位： ENACMD12, 数据传输接收后，是否自动发送ACMD12命令。对于多块操作，需要ACMD12命令来停止传输。多块传输中，最后一个块传输后，如果开启这一位，会自动发送ACMD12命令。
第一位：ENBLKCNT， 使能多块计数。使能后，传输一块后，CLKCNT会减一。
第0位：ENDMA， 使能DMA。
设置好传输模式后，发送对应的命令。
命令发送完毕后，需要等待命令操作完成。
读取多块数据。
判断读是否准备好。
判断NORINTSTS寄存器的第5位。为1，表示读缓冲可以使用。
因为参数提供的内存地址是char *型，所以先判断地址是否4字节对齐。然后分成不对齐和对齐处理。
对于BDATA寄存器，这是一个soc内部的寄存器，当读该寄存器时，SD控制器会自动从SD卡读取4个字节数据放入到这个寄存器中。所以读这个寄存器得到32位数据。
如果内存地址对齐，需要将内存地址强制转化为uint32_t类型，写入一次，地址加4。如果内存地址不对齐，就只能一个字节一个字节的操作。
块数据读取结束后，需要判断传输是否结束。
判断NORINTSTS寄存器的第1位。为1，表示传输完成。
6.9.2、SD的block写
和block读差不多一样，只是发送的命令有些区别而已。
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原文首发于骏的世界博客
作者：卢骏.
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