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@eggman

SDIOについて

Last updated at Posted at 2018-06-08

SDIOについて

SDIOエミュレータを書いているので、情報をまとめています。 まだ途中です。

マイルストーン

CMD53のマルチブロックライト：
CMD53のマルチブロックリード：
CMD53のシングルブロックライト： 2018-06-24
CMD53のマルチバイトライト: 2018-06-24
CMD53のシングルブロックリード： 2018-06-24
CMD53のマルチバイトリード: 2018-06-22
Linuxカーネルが各ファンクションのCISを読み出す:2018-06-19
LinuxカーネルがFBRを読み出す:2018-06-16
LinuxカーネルがCommon CISを読み出す:2018-06-16
LinuxカーネルがCCCRを読み出す:2018-06-16

SDIOで使うコマンド

最低限の動作に必要なコマンド

CMD0とCMD3とCMD7はSD仕様書に記載。
CMD5とCMD52とCMD53はSDIO仕様書に記載。

  • CMD0 GO_IDLE_STATE
  • カードをIDLE状態にする。
  • レスポンンス無し
  • CMD3 SEND_REL_ADDR
  • 相対アドレスをホストが取得する。
  • レスポンスはR6 相対アドレス、ただしSDIOのみ対応のカードだとステータスビットの取り扱いが異なる。
  • CMD5 IO_SEND_OP_COND
  • I/O OCR (24bit)などをやりとりする。カードが対応している電圧についての情報が記述されている。
  • SDIOの初期化を開始する。ReadyになるとCが1になる。
  • SDIOのファンクションの数が分かる。
  • レスポンスはR4 I/O OCR
  • CMD7 SELECT/DESELECT_CARD
  • CMD3で取得した相対アドレスを送信し、カードを選択する。
  • カード選択をするとCommand Stateに遷移する。
  • レスポンスはR1b
  • CMD52 IO_RW_DIRECT
  • 1バイトのデータを読み書きする。
  • 信号線はCMDのみを使う。DAT0-3の信号線は使わない。
  • レスポンスはR5
  • CMD53 IO_RW_EXTENDED
  • マルチバイト、マルチブロックのデータを読み書きする。
  • 1bit widthの場合はDAT0信号線を使う。4bit widthの場合DAT0-3の信号線を使う。
  • レスポンスはR5

SDIO初期化シーケンス

LinuxのSDIOをトレースして解析

  • CMD52 FN0の0x6を読む stateが違うので応答しない
  • CMD52 FN0の0x6に8を書き込む stateが違うので応答しない
  • CMD0 GO_IDLE_STATE
  • CMD8 SEND_IF_COND SDメモリなら応答するが、SDIOなので応答しない
  • CMD5 IO_SEND_OP_COND SDIOなら応答
  • CMD５ IO_SEND_OP_COND 電圧を指定
  • CMD3 SEND_RELATIVE_ADDR
  • CMD7 SD SELECT/DESELECT_CARD

CMD７ CARD SELECT後はTransfer Stateになるので、CMD52とCMD53が使えるようになる。

SDIO State

SDIOカードのステート

SDIOカードを主体として考える。

  • Initialize State
  • 初期状態
  • CMD5 を受け付ける
  • CMD3を受信すると、Standbyに遷移
  • Standby State
  • CMD7を受け付ける
  • 正しい相対アドレスのCMD7を受信するとCommandに遷移
  • Command State
  • カードが選択されデータ転送コマンドを受け付ける状態
  • CMD52とCMD53を受け付ける。
  • 　Transfer State
  • CMD53のデータ転送状態　
  • CMD52 Abortのみ受け付ける　

SDIOカードのステートの情報はCMD52のレスポンスに含まれている。

  • 00 : Initialize また 非活性な状態
  • 01 : Command State
  • 02 : Transfer State
  • 03 : 予約

ファンクション

あとで書く

設定レジスタ

OCR

  • カードの対応電圧の情報
  • CMD5で取得する。
例: 20FFFF00
デコードすると
0 : C : not ready
2 : Number of I/O Function : Function1とFunction2がある
0 : Memory Present : no memory
0b11111111111100000000 : I/O OCR : 2.0-3.6に対応

CCCR : Card Common Control Registers

  • ２５６バイトのカード共通の制御レジスタ　
  • CMD52, CMD53で読み書きする。
  • バージョン情報
  • ファンクションの情報
  • ブロックサイズ
  • CISのアドレス
例
32 xx 00 00 xx xx xx 40
02 70 10 00 xx xx xx xx
xx xx 01 01

3 : SDIOのバージョン : SDIO 2.0
2 : CCCR/FBRのバージョン : CCCR/FBR 1.2
1 : SCSI Support Coontinus SPI interrupt : Yes
1 : SMB Support Multi Block : Yes
70 10 00 : Common CISのアドレス : 0x001070
1 : SMPC Support Master Power Control : Yes
1 : SHS Support High Speed : Yes

FBR : Function Basic Registers

  • ファンクションの制御レジスタ。 ひとつのファンクション毎に256バイト。
  • CMD52, CMD53で読み書きする。
  • Functioon code
  • ブロックサイズの初期値は0なので、Hostから設定する。
例
100: 00 xx xx xx xx xx xx xx 
xx xx 00 10 00
00 10 00 : Function CISのアドレス : 0x001000


200: 00 xx xx xx xx xx xx xx 
xx xx 38 10 00

38 10 00 : Function CISのアドレス : 0x001038

CIS : Card Information Structure

  • CISはPCMCIAの仕様を使っており、SD仕様書には情報が無い。
  • PCMCIAの仕様書は有料。（だけど2018年現在、ロシアのサイトにPDFがある。)
  • フォーマットはLinuxとかBSDのソースコードをみれば分かる。
  • Tupleと呼ぶ可変長のフォーマット、１バイト目がCODE、2バイト目が長さ兼次のTuple、3バイト目以降が可変長データ
例
01000: 20 04 D0 02 A6 A9 21 02 0C 00 22 2A 01 00 00 00
01010: 00 00 00 00 00 00 00 00 40 00 00 FF FF 80 00 00
01020: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
01030: 00 00 00 00 00 00 FF   

デコード
20 04 D0 02 A6 A9: MANFID が D0 02 A6 A9
21 02 0C 00 : FUNCID が 0C 00
22 2A 01 00 00 00 
00 00 00 00 00 00 00 00 40 00 00 FF FF 80 00 00
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
00 00 00 00 00 00: FUNCE
FF : 終端

01030:                         20 04 D0 02 A6 A9 21 02
01040: 0C 00 22 2A 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
01050: 00 02 00 FF FF 80 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
01060: C8 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 FF

01070: 20 04 D0 02 A6 A9 21 02 0C 00 22 04 00 20 00 58
01080: 80 02 00 0B 80 03 02 01 11 80 03 1B 26 07 80 07
01090: 19 B8 27 EB AF DC 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
010A0: ここから
010B0:
010C0:
010D0:
010E0:
010F0:
01100:
01110:
01120:
01130:
01140:
01150:
01160:
01170:
01180:
01190: ここまで00
011A0: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 FF

デコード
20 04 D0 02 A6 A9
21 02 0C 00
22 04 00 20 00 58
80 02 00 0B: ベンダー独自
80 03 02 01 11: ベンダー独自
80 03 1B 26 07: ベンダー独自
80 07 19 B8 27 EB AF DC 01: ベンダー独自
空白
FF : 終端

Linux で SDIOのコマンドをダンプする

  • CMD5 と CMD52 と CMD53 を出力する。
  • 変更するカーネルのファイルは drivers/mmc/core/sdio_ops.c
        printk("CMD5 %x %X \n", ocr, *rocr);

        if (write) {
                printk("CMD52W FN%d %05X %02X\n", fn, addr, in);
        } else {
                printk("CMD52R FN%d %05X %02X\n", fn, addr, cmd.resp[0] & 0xFF);
        }

        if (write) {
                printk("CMD53W FN%d %05X\n", fn, addr);
                print_hex_dump_bytes("CMD53W:", DUMP_PREFIX_NONE,
                                     buf, data.blksz * data.blocks);
        } else {
                printk("CMD53R FN%d %05X\n", fn, addr);
                print_hex_dump_bytes("CMD53R:", DUMP_PREFIX_NONE,
                                     buf, data.blksz * data.blocks);
        }j

のような感じです。
カーネルログ出力が大量に出るので、カーネルの起動オプションにlog_buf_len=16Mとかすると良いです。

エミュレーションの実装

  • SDIO_CARD
  • SD_CARDと並列にSDIO_CARDを作成
  • sd_busはSDメモリとSDIOで共用
  • sd_busからカードへアクセスする部分に、SD_CARDとSDIO_CARDの判別処理を加える。
  • CMD52
  • SDIOカード内のメモリ空間を定義する。
  • メモリ空間に初期値を設定する。
  • 与えられた入力で、メモリ空間をリードライトする。
    *　R5を生成する関数を作る。
  • CCCR, FBR, CIS
  • Linuxなどで読み出している部分のログを取る。
  • ログからCCCR, FBR, CISの値を調べて、リード時に同じ値を返すようにする。
  • CCCRとFBRはライトもできるようにする。
  • これで、とりあえずは動いた。

ここまではカードとバスの修正だけでOK
CMD53はホストの修正が必要

  • CMD53

  • メモリ空間がどう見えるかはカードに依存する。

  • メインメモリの領域を借りるにはどうしたら良いのか

不明点

  • カードをInitialize State から　Command Stateに切り替えるには
  • CMD5 と CMD3 と CMD7を送信するとCommand Stateに遷移する。
  • BCM43438だと認識するのは、どこを見てるのか？　
  • CISのvendorとclass
  • Functionの数が2
  • Function0の0x8000-0x8004を読み0x1541a9a6であること ここまでは共通の認識処理
  • todo:チップの型番認識
  • Marvell、RealtekはCISに型番を埋めてあるので、OSレベルで判別ができる。

Linuxドライバ

  • brcmf_sdio_register（）でstruct sdio_driverを登録すると、sdio_driver->id_tableとIDが一致したら、カーネルからsdio_driver->probe()が呼ばれる。

はまり点

  • Common CISを読んで、バス幅設定後にコマンドタイムアウトが発生する。なのでSDIOカードの初期化が途中で止まる
  • 正常動作なら、コマンド完了割り込みが入ると、タイマ割り込みがクリアされる。
  • 小さなプログラムで。QEMUでも、コマンド完了割り込みが入ることを確認した。
  • SDHCIのレジスタアクセスをトレースしてみると、最後のコマンドから応答がない。カードが応答していない。SD CLOCKが止められている。
  • qemu sdhciのcapabのデフォルト値 0x057834b4
  • sdio_enable_hs（）、　mmc_set_clock（）あたり
  • sd clkが止まらない小細工をしたら、mmc1: new high speed SDIO card at address 4567 まで動いた。
  • とりあえずこの小細工をして進める。
  • SDIOのDATA転送できない
  • CMD53のマルチブロックリードを送信後、データレジスタからデータを読み出せない。
  • sdhci_read_dataport()でs->prnsts & SDHC_DATA_AVAILABLE を満たさないのでバッファが空のようだ。
  • このフラグを立てるのは、sdhci_read_block_from_card()
  • 遡るとsdhci_send_command() -> sdhci_data_transfer() -> sdhci_read_block_from_card()
  • sdhci_send_command() で if (s->blksize && (s->cmdreg & SDHC_CMD_DATA_PRESENT))の条件に該当していなかったのか？
  • sdhci_data_transfer()でif ((s->trnmod & SDHC_TRNS_READ) && sdbus_data_ready(&s->sdbus)) に該当していなかった
  • sd.cでsd->state == sd_sendingdata_stateでないとdata_readyにならない。
  • 上記３箇所の条件を通るように修正したらデータを読み出せるようになった。だけどブロック単位で読んでしまうので、バイト単位になるように改造が必要
  • SDIOの２回目のCMD53 バイトデータ転送ができない
  • １回目のDATA転送ができるようになったが、２回目の転送を行うと、CMD53が途中で消失する。
  • data転送後の終了処理が呼ばれていないの原因っぽい
  • sdhci_can_issue_command()の戻り値がfalseになるとコマンドを発行しない
  • SDメモリの場合はsdhci_read_dataport()でデータ転送終了処理をやる。これがブロックサイズに依存しているのでCMD53バイト転送だと終了処理が呼ばれない。
  • CMD53バイト転送後にデータ転送終了処理をすると、２回目のCMD53がカード側に届くようになった。
  • また転送完了割り込みが入るようになったので、割り込みをクリアする処理を入れたが、その後のUART出力がおかしくなるので、転送完了割り込みは、テストアプリの初期設定でマスクすることにした。
  • カード側で変数の初期化が抜けていたので、初期化を追加したら、やっと２回目のCMD53 バイトデータ転送ができるようになった。

参考情報

  • SD仕様書
  • SDIO仕様書
  • SDHOST仕様書
  • ROHM BU1805GUのソフトウェア開発仕様書
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