SDIO - DWC MSHC 电压切换和频率切换

背景

我们的sdio访问sd card过去一直跑在低频上，HS50M。前段时间给eMMc添加了HS200模式，eMMc的总线模式定义是这样的：
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可以看到1.8V的IO 电压可以支持所有模式，我们过去的芯片，由硬件部门放到evb上，其IO 电压要不就是定死的，要不就是用跳帽来选择电压是3V3或者1V8，不支持电压切换，这对eMMc来说还尚可接受，因为我们可以将它定到1V8上，反正eMMc在这个电压上可以切换到各个速度，emmc的hs200也就在这个条件下跑起来了。但是SD Card就没那么幸运了，SD Card的标准是：
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我们过去的板子都IO电压都是定死了3.3v，最高跑到HS50这个模式，所以如果要切换到SDR12以及后面的模式，还是需要一个能够动态切换电压的方法，一般来说SDIO刚初始化完毕会用1线模式去读取卡id，使用400k，300K，100K这种兼容模式去做协商，这些模式需要工作的3.3V，随后才能调到高速。

控制器支持

DWC mobile storage 控制器支持SD3.0 UHS-1，能够在SD模式下做电压切换，可以应用到SDHC，SDXC卡上。
注意，UHS-1仅支持4bit模式

详细切换方法：

以下部分摘自databook手册：
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翻译：
只有在SD mode下才可以执行电压切换，无论在SD mode还是SPI mode，首先要发送CMD0来选择bus mode，card必须在SD mode下才能应用1.8v信号模式，在此期间card不能在不带电源周期时被切换到SPI模式或者3.3V信号

如果嵌入式系统的System BIOS已经知道它连接了SD 3.0卡，那么驱动程序会编程DWC_mobile_storage来启动ACMD41。
软件从ACMD41的响应得知卡是否支持电压切换到1.8V。

如果ACMD41响应的32位为1’b1，则卡支持电压切换，下一个命令cmd11调用电压切换顺序。CMD11启动后，软件必须在CSR空间中用适当的卡号对VOLT REG寄存器进行编程。
如果ACMD41的32位响应为1’ 0 -卡不支持电压切换，CMD11不应该启动。

如果卡和主机控制器接受电压切换，则它们支持UHS-1数据传输模式。电压切换到1.8V后，SDR12为默认速度。由于UHS-1只能在4位模式下使用，因此软件必须启动ACMD6并将卡数据宽度更改为4位模式；ACMD6是在任何UHS-1速度驱动。如果主机想要选择DDR模式的数据传输，那么软件必须在CSR空间中用相应的卡号对DDR_REG寄存器进行编程。要从SDR或DDR模式中进行选择，应在CLKDIV寄存器中编程适当的值。

下图位ACMD41的命令参数和命令响应
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如果参数中S18R为1，且响应中S18A为1，此时为3.3V状态，主机便可以发送CMD11进行电压切换，其他情况下不能执行CMD11

Linux内核对电压切换的支持


int mmc_set_uhs_voltage(struct mmc_host *host, u32 ocr)
{struct mmc_command cmd = {};int err = 0;u32 clock;/** If we cannot switch voltages, return failure so the caller* can continue without UHS mode*/if (!host->ops->start_signal_voltage_switch)return -EPERM;if (!host->ops->card_busy)pr_warn("%s: cannot verify signal voltage switch\n",mmc_hostname(host));cmd.opcode = SD_SWITCH_VOLTAGE;cmd.arg = 0;cmd.flags = MMC_RSP_R1 | MMC_CMD_AC;err = mmc_wait_for_cmd(host, &cmd, 0);if (err)goto power_cycle;if (!mmc_host_is_spi(host) && (cmd.resp[0] & R1_ERROR))return -EIO;/** The card should drive cmd and dat[0:3] low immediately* after the response of cmd11, but wait 1 ms to be sure*/mmc_delay(1);if (host->ops->card_busy && !host->ops->card_busy(host)) {err = -EAGAIN;goto power_cycle;}/** During a signal voltage level switch, the clock must be gated* for 5 ms according to the SD spec*/clock = host->ios.clock;host->ios.clock = 0;mmc_set_ios(host);if (mmc_set_signal_voltage(host, MMC_SIGNAL_VOLTAGE_180)) {/** Voltages may not have been switched, but we've already* sent CMD11, so a power cycle is required anyway*/err = -EAGAIN;goto power_cycle;}/* Keep clock gated for at least 10 ms, though spec only says 5 ms */mmc_delay(10);host->ios.clock = clock;mmc_set_ios(host);/* Wait for at least 1 ms according to spec */mmc_delay(1);/** Failure to switch is indicated by the card holding* dat[0:3] low*/if (host->ops->card_busy && host->ops->card_busy(host))err = -EAGAIN;power_cycle:if (err) {pr_debug("%s: Signal voltage switch failed, ""power cycling card\n", mmc_hostname(host));mmc_power_cycle(host, ocr);}return err;
}