SDIO 硬件、协议与 Linux 驱动技术文档
1. SDIO 简介
SDIO（Secure Digital Input Output）协议是SD存储卡的物理接口扩展，允许通过SD总线连接和控制各种I/O设备，如Wi-Fi、蓝牙、GPS模块等。SDIO协议在标准的SD协议基础上扩展，实现了存储和I/O功能的兼容。
2. SDIO 的物理接口和信号
SDIO使用标准的SD物理接口，共有九个针脚，其中五个用于数据传输，四个用于电源和控制信号。
- 数据线：
- DAT[0:3]：四条数据线，用于并行数据传输。SDIO设备可以在1位模式或4位模式下工作。
- 命令线：
- CMD：命令线，主机通过这条线向SDIO设备发送命令，设备也通过这条线向主机发送响应。
- 时钟线：
- CLK：时钟线，由主机提供的时钟信号，所有数据传输都以此为参考时钟。
- 电源线：
- VDD：电源供给，一般为3.3V。
- VSS1和VSS2：地线。
- 卡检测信号：
- CD/DAT3：用于检测卡是否插入。
3. SDIO 的电气特性
- 电压范围：标准SDIO设备工作电压为3.3V，一些低功耗设备可能支持1.8V。
- 时钟频率：SDIO设备的时钟频率范围通常为0到50MHz，具体速率由主机控制器设定。
- 传输模式：SDIO设备可以工作在单线模式或四线模式。
4. SDIO 主机控制器
SDIO主机控制器是管理SDIO设备的核心硬件模块，负责发送命令、接收响应、处理数据传输以及管理时钟和电源。
主机控制器的关键功能：
- 命令发送与接收：通过CMD线向SDIO设备发送命令，并接收设备的响应。
- 数据传输管理：管理通过DAT[0:3]的数据传输，在1位或4位模式下进行。
- 时钟控制：生成并提供CLK信号，所有的SDIO传输都基于此时钟同步。
- 电源管理：控制VDD电压的供应，必要时可以对设备进行供电控制。
- 中断管理：处理SDIO设备发出的中断信号。
- 多设备支持：在同一条SD总线上管理多个设备，通过设备的RCA来区分。
典型的主机控制器类型：
- SDHCI（SD Host Controller Interface）：常见的SD主机控制器标准。
- 平台专用控制器：例如ARM SoC中的定制SDIO控制器。
5. SDIO 设备端硬件实现
SDIO设备通常是集成了特定功能的I/O设备，例如Wi-Fi或蓝牙模块。SDIO设备包含若干硬件模块来支持协议操作和功能实现。
设备端的关键模块：
- 协议控制器：处理SDIO命令和数据传输。
- 功能块（Function Blocks）：每个功能块执行特定功能（如Wi-Fi、蓝牙）。
- Function 0：通用控制功能。
- Function 1及以上：具体的I/O功能。
- 寄存器结构：
- CCCR（Card Common Control Register）：控制设备的整体行为。
- FBR（Function Basic Register）：控制具体功能块的操作。
- CIS（Card Information Structure）：存储设备描述信息。
- 数据缓冲器：用于临时存储数据块，以提高传输速度。
- 中断管理：通过CMD52命令或硬件中断线发出中断请求。
6. SDIO 通信流程
SDIO通信流程基于命令和响应的模式进行，包括设备的初始化、数据传输和中断处理。
初始化流程：
- 设备检测：主机通过CMD0复位设备。
- OCR读取：主机发送CMD5读取设备的操作电压范围。
- 初始化功能块：主机通过CMD52命令启用功能块并读取设备信息。
- RCA分配：主机通过CMD3为设备分配唯一的RCA。
数据传输流程：
- 选择功能块：通过CMD52命令选择功能块。
- 块数据传输：通过CMD53命令进行多字节数据传输。
中断处理：
- 中断请求：SDIO设备向主机发送中断信号。
- 中断响应：主机使用CMD52命令查询中断状态。
7. SDIO 在 Linux 内核中的实现
Linux内核对SDIO设备的支持通过MMC子系统提供，具体实现如下：
- 主机控制器驱动：位于
drivers/mmc/host/目录，管理与SD/SDIO设备的物理通信。 - SDIO协议实现：位于
drivers/mmc/core/sdio.c文件，定义了SDIO协议相关的命令解析、寄存器读写、数据传输和中断处理逻辑。 - 设备驱动：SDIO设备的驱动位于设备的
drivers/net/wireless/或drivers/bluetooth/目录。
8. 典型 SDIO 设备和应用
- Wi-Fi模块：用于高速无线数据传输，典型设备如Broadcom、Realtek的Wi-Fi芯片。
- 蓝牙模块：SDIO用于蓝牙设备通信，实现快速响应。
- GPS模块：通过SDIO接口连接GPS芯片，实现定位数据传输。
9. 总结
SDIO协议的硬件实现基于SD卡的物理接口，支持多功能I/O设备的通信。通过主机控制器与设备的协同工作，SDIO实现了存储与I/O功能的集成，支持多种I/O设备应用。SDIO协议的硬件实现不仅支持单字节数据传输，还可以通过块模式实现大数据量传输，适合高速无线通信设备等场景。
