Raspberry Piのベアメタル環境からSDCARDにアクセスする(BUSモード編）

はじめに

Raspberry Piのベアメタル環境からGPIOを経由してSD CARDをアクセスする方法について、BUSモードでも成功したので紹介します

BUSモード

前回のエントリーではRaspberry PiでOSなどを介さず、EMMC ¹も使わず、GPIO機能のみを使ってSD CARDにSPIモードでアクセスする方法を紹介しました。しかし、SPIモードの使用には

一旦BUSモードで動作すると、SPIモードには再遷移できない
Raspberry PiのブートローダーはSD CARDにBUSモードでアクセスる
したがって、デモでSPIモードを使用する前にユーザーがカードを一度抜き差しして、カードをリセットする必要がある

という問題がありました。また、SD CARDの規格としても、SPIモードはあくまで簡易的にデータにアクセスするための方法です。したがってできることならBUSモードでSD CARDにアクセスしたいと思っていました。

例えば、SPIモードの特徴は以下のとおりです

使用するピンが少ない。電源とグラウンドを除くと、クロック１ビット、コマンド１ビットとデータ１ビットの、３本の信号線のみ²
制御が比較的簡単
ただしデータが１ビットしかないので遅い

それに対してBUSモードは

最大４ビットのデータ線が使える
SD CARDの最近の高速モードに対応している
したがって速い
ただし、制御はSPIモードに比べて若干面倒

となります³。このように、BUSモードこそがSD CARD本来のモードと言えると思います。

今回は高速化を期待してBUSモードに対応させてみました。

リポジトリと使用方法

今回のデモの内容はGithubで公開してあります。

github.com

使用方法は

必要ないSD CARDを用意する⁴
SD CARDにラズビアンOSなどをインストールしてRaspberry Piが起動するようにしておく
SD CARDのboot領域のkernel.imgをリポジトリのkernel.imgで置き換える
SD CARDをRaspberry Piに挿して起動する

なお、デモの結果を確認するにはSerialのTX/RXをRaspberry PiのGPIO#14/15（PIN8とPIN10）に接続し、PCなどのターミナルコンソールに信号の内容を表示させる必要があります。

デモの出力結果は以下のようになります。SD CARDのFAT32領域にアクセスして、ルートディレクトリのファイルを表示しています f:id:uzusayuu:20180730070201p:plain

前回との違い

SPIモードとBUSモードの違いは上記のようにいろいろありますが、今回影響を強く受けたのは以下のような点です

コマンド（CMD）が双方向になった。SPIモードではCMDはホストからカードへの一方通行だったのですが、BUSモードではカードからホストにレスポンスを返すのにも使います
データビットが１ビットから４ビットに増えた。BUSモードでは４本あるデータ線をすべて使うことができます
コマンドやレスポンスのフォーマットがSPIモードと違う。

とくに、コマンドに対するレスポンスがデータと同時に帰ってくることがあるため、両者を同時に処理する必要がある点に注意が必要です。

なお、今回は読み込みまでしか実装していません。

実装の詳細についてはgithubで公開しているソースコードを参照ください⁵。

次への課題

この実験は、もともとは、既存のライブラリで動作していた「Haribote OS」のSD CARD読み込み部分を、自分の実装で置き換えるというのが目的でした。これからそのあたりやっていこうと思っていたのですが、一時帰国で日本に帰った際にこんな本を見つけてしまいました。FatFSという組み込み向けFATライブラリーの解説本です。

shop.cqpub.co.jp

Haribote OSではFATの扱いはごく簡単なもので、残りの実装は読者への宿題になっています。こちらの本で解説されているFatFSを使えば読み書きやディレクトリのアクセスも含めたファイルシステムをサポートすることができそうです。ちょっと気になってきました。