Overview

深入理解SD卡系列文章將介紹SD卡厢汹，涉及SD卡的協(xié)議及驅(qū)動代碼蓖宦。我們學習SD卡目的是為了理解SD卡的驅(qū)動代碼，修改它斋荞，最終解決工作中遇到的SD卡相關(guān)的問題血久。本系列文章的目標是理解SD沧侥，包括協(xié)議和驅(qū)動代碼爸邢。在學習任何設(shè)備驅(qū)動時咏花，有個東西我們是無法繞過的龄恋，那就是協(xié)議疙驾，本文講的就是SD卡的協(xié)議。

學習SD卡協(xié)議郭毕，可以讓我們更好的了解SD卡的運作機制它碎。在最開始學習SD卡的時候，我們只需要對SD卡的協(xié)議有個大概了解，能基本滿足我們看懂SD卡驅(qū)動代碼就行扳肛。如果之后在閱讀SD卡驅(qū)動代碼有不理解的地方傻挂，可以回過頭來翻翻SD協(xié)議文檔。建議在讀SD驅(qū)動源碼和學習SD卡協(xié)議之間交替進行挖息，互相驗證金拒。

關(guān)于SD卡，有個叫SD卡協(xié)會的組織套腹，這個組織規(guī)定了各種涉及SD卡的協(xié)議绪抛，并發(fā)布協(xié)議文檔。這些SD卡協(xié)議文檔电禀，最重要的有兩種文檔：SD Specifications Part 1 Physical Layer Simplified Specification 和SD Specifications Part A2 SD Host Controller Simplified Specification幢码。

個人理解，定協(xié)議的目的就是為了使某個事物標準化鞭呕，標準化后蛤育，可以方便大家協(xié)作，簡化工作量葫松，提高效率瓦糕，避免重復工作導致的浪費。Physical Layer Simplified Specification（以下簡稱：卡協(xié)議）規(guī)定了SD卡的物理規(guī)格和SD卡使用的命令協(xié)議腋么，像Sandisk咕娄、Kingston這類SD卡制造商必須遵守該協(xié)議。假設(shè)Sandisk開發(fā)了一款SD卡沒有遵循該協(xié)議珊擂，而是自己內(nèi)部新搞了一套協(xié)議圣勒，這樣市面上就沒有設(shè)備能使用該款SD卡。除非有人專門開發(fā)一個驅(qū)動去適配該款SD卡摧扇，但是這樣很浪費人力圣贸。如果每個SD卡廠商都使用自己的協(xié)議，那么每支持一款SD卡扛稽，都需要重新寫一套代碼去適配它吁峻，那這工作量就很恐怖了。

類似的在张，SD Host Controller Simplified Specification（以下簡稱：主機協(xié)議）用來標準化SD主機控制器用含，針對的是SD卡主機控制器廠商。這個協(xié)議不是強制的帮匾，在我們閱讀SD驅(qū)動代碼的時候啄骇，如果涉及到SD卡主機控制的代碼，我們可能需要翻一下這篇文檔瘟斜，或者查閱SD卡主機控制器廠商提供給我們的文檔（一般都是各大cpu芯片廠商提供給我們開發(fā)者文檔）缸夹。

本文的講解的是卡協(xié)議痪寻，接下來，會有一些的英文夾雜在中文里面虽惭，因為有些名詞槽华，還是原汁原味的好，我翻譯出來趟妥，沒了那種韻味猫态，水平有限，望大家諒解披摄。

System Features

本大章節(jié)講解SD的一些基本特征亲雪，包括SD卡的物理規(guī)格、容量疚膊、速度等方面义辕。

Form-factor

目前市面上按物理規(guī)格來看，常見的SD卡有三種：

• 標準的SD卡寓盗，這種卡比較大灌砖，在有些相機或者PC電腦上會使用；
• 第二種是miniSD傀蚌，這種卡我沒怎么使用基显，不作詳述；
• 最后一種是叫TF卡善炫，也稱mirco SD撩幽，這種卡比較小，是我們最常接觸的箩艺，像我們的手機里面使用的就是這種卡窜醉。很多人基本上都管我們手機使用的那種卡叫SD卡，這樣的叫法實際上不夠準確艺谆，更準確應(yīng)該是叫TF卡榨惰，但是不管怎樣，都沒人會去計較静汤，能理解就行琅催。

本文中，如果我說SD卡撒妈，都是泛指這三類SD卡恢暖，除非特意說明排监。并且如果特指狰右，我會使用標準SD卡或者TF卡等名稱代替。

Capacity of Memory

SD卡按容量(Capacity)分類舆床，可以分為標準容量卡棋蚌、高容量卡嫁佳，擴展容量卡，詳細如下：

1. Standard Capacity SD Memory Card (SDSC): 這種卡容量小于等于2GB
2. High Capacity SD Memory Card (SDHC): 這種卡容量大于2GB谷暮，小于等于32GB
3. Extended Capacity SD Memory Card (SDXC)：這種卡容量大于32GB蒿往， 小于等于2TB

如果你買了一張16G或者32G的SD卡，你會發(fā)現(xiàn)SD卡上面印有"HC"字樣湿弦，代表該卡是SDHC卡瓤漏，同理，64G的SD卡上面印著"XC"颊埃，表示SDXC卡蔬充。

Voltage range

SD卡按供電范圍劃分，分兩種：

1. High Voltage SD Memory Card: 操作的電壓范圍在2.7-3.6V
2. UHS-II SD Memory Card： 操作的電壓范圍VDD1: 2.7-3.6V, VDD2: 1.70-1.95V

UHS-II類型的卡參考協(xié)議文檔： SD Specifications Part 1 UHS-II Simplified Addendum

Bus Speed Mode (using 4 parallel data lines)

SD卡按總線速度模式來分班利，有下面幾種：

1. Default Speed mode: 3.3V供電模式饥漫，頻率上限25MHz，速度上限 12.5MB/sec
2. High Speed mode: 3.3V供電模式罗标，頻率上限50MHz庸队，速度上限 25MB/sec
3. SDR12： UHS-I卡， 1.8V供電模式闯割，頻率上限25MHz彻消，速度上限 12.5MB/sec
4. SDR25： UHS-I卡， 1.8V供電模式宙拉，頻率上限50MHz证膨，速度上限 25MB/sec
5. SDR50： UHS-I卡， 1.8V供電模式鼓黔，頻率上限100MHz央勒，速度上限 50MB/sec
6. SDR104： UHS-I卡， 1.8V供電模式澳化，頻率上限208MHz崔步，速度上限 104MB/sec
7. DDR50： UHS-I卡， 1.8V供電模式缎谷，頻率上限50MHz井濒，性能上限 50MB/sec
8. UHS156： UHS-II RCLK Frequency Range 26MHz - 52MHz, up to 1.56Gbps per lane.

SDR(Single Date Rate), 一個周期只能采集一次數(shù)據(jù)，即一個bit列林，由于SD卡是4條數(shù)據(jù)線并行傳輸瑞你，所以一個周期能傳輸4bit，如果頻率是50MHz（即1秒傳輸次數(shù)為50 000 000）希痴，那么1秒能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為25MB（這里1MB為1 000 000 Byte)者甲。所以這就是為什么各種SDR模式里面，頻率上限是速度上限的兩倍砌创。而對于DDR(Double Data Rate)虏缸，在時鐘上升沿和下降沿都可以采集數(shù)據(jù)鲫懒，也就是單一周期內(nèi)可讀取或?qū)懭?次，因此4條并行數(shù)據(jù)線在一個周期內(nèi)能傳輸8bit刽辙。

Speed Class

SD卡按照讀寫性能劃分窥岩，有5種規(guī)格，每種規(guī)格后面的數(shù)字象征最小的讀寫速度：

• Class 0 - 這種卡沒有性能要求
• Class 2 - 要求在 Default Speed mode 下宰缤，性能至少要達到（大于等于） 2MB/sec
• Class 4 - 要求在 Default Speed mode 下颂翼，性能至少要達到 4MB/sec
• Class 6 - 要求在 Default Speed mode 下，性能至少要達到 6MB/sec
• Class 10 - 要求在 High Speed mode 下慨灭，性能至少要達到 10MB/sec

廠商賣的SD卡上面基本上都會印著一個用圓圈包圍起來的數(shù)字10疚鲤，表示該卡是Class 10 類型的卡。

Bus Protocol

在SD Bus上缘挑，有三種transaction：

• Command: 一個命令代表著將開始一個操作集歇。命令通過CMD線傳輸，方向從host到card语淘。
• Response: 響應(yīng)是card對前一次host發(fā)送的命令的執(zhí)行情況的反饋诲宇。也是通過CMD線傳輸，方向從card到host惶翻。
• Data: 數(shù)據(jù)是通過4條data線傳輸?shù)墓美叮较蚩梢詮腸ard到host，也可以從host到card吕粗。

不管Command纺荧，還是Response或者Data，都開始于一個start bit （bit值0）颅筋，結(jié)束于一個end bit（bit值1）宙暇。

關(guān)于這塊的內(nèi)容不做過多解釋了，詳情自行閱讀"Physical Layer Simplified Specification Version 4.10"文檔 "3.6 Bus Protocl" 章節(jié)的內(nèi)容议泵。

Registers

下圖是SD卡的體系架構(gòu)占贫，可以看到內(nèi)部包含了一系列的寄存器：

<div style="text-align:center" markdown="1">

SD Memory Card Architecture

</div>

各個寄存器的詳細信息如下：

SD Memory Card Registers

OCR register

OCR寄存器保存著SD卡的工作電壓范圍。如果OCR寄存器的某位為1先口，表示卡支持該位對應(yīng)的電壓型奥。最后一位表示卡上電后的狀態(tài)(是否處于”忙狀態(tài)”)，如果該位為0碉京，表示忙厢汹，如果為1，表示處于空閑狀態(tài)谐宙。

OCR Register Definition

CID register

CID是一個128 bits的寄存器烫葬，該寄存器包含一個卡的標識信息。

The CID Fields

CSD Register

卡的描述數(shù)據(jù)寄存器（CSD）包含了訪問該卡數(shù)據(jù)時的必要配置信息卧惜，比如the data format, error correction type, maximum data access time, device size 等等厘灼。

The CSD Register Fields (CSD Version 2.0)

RCA register

卡的相對地址,該16位卡地址寄存器保存了卡在識別過程中發(fā)布的地址。該地址用于在主機識別卡后咽瓷，利用該地址與卡進行通信设凹。該寄存器只有在SD模式下才有效。

SCR register

SD配置寄存器提供SD卡的特殊特性信息茅姜，其大小為64位闪朱。該寄存器由廠商編程，主機不能對它進行編程钻洒。

The SCR Fields

UHS

UHS（Ultra High Speed）是與SDXC同時推出的SD卡總線標準奋姿。此標準適用于SDHC和SDXC。

UHS-I最高傳輸速度（理論值）為104MB/s素标。英文字母I代表該設(shè)備（SD卡或讀卡器）支持UHS-I接口称诗。英文字母U，包含數(shù)目字1头遭，代表該設(shè)備讀寫速度達U1寓免。

UHS-II最高傳輸速度達312MB/s，是UHS-I的三倍计维。

設(shè)備（如智能手機）必須支持UHS袜香，才能保證達到U1或U3最低寫入速度。

下面介紹UHS-I初始化的命令序列流程鲫惶。

Command Sequence to Use UHS-I

• 上電后蜈首，卡會處于3.3V signaling模式下。第一個CMD0命令會選擇bus模式：SD模式或者SPI模式欠母。只有在SD模式下欢策，才能進入1.8V signaling模式。一旦卡進入1.8V signal模式赏淌，卡不能切換到SPI模式或者3.3V signal模式猬腰，除非重新上電。
• 收到CMD0命令后猜敢，卡將進入空閑狀態(tài)（Idle state）姑荷，但是仍然工作在SDR12時序下。UHS-I只提供了SD模式缩擂，沒有提供SPI模式鼠冕。
• 由于更高的總線速度需要低水平的signaling，對SDR50胯盯、DDR50和SDR104模式懈费，UHS-I提供的signaling為1.8V。host會給卡提供3.3V的電壓博脑，并且提供1.8V signaling水平的電壓給SDCLK憎乙、CMD和DAT[3:0]線票罐，這幾個都是從3.3V的電源線轉(zhuǎn)換過來的。為了避免主機與卡之間的電壓不匹配泞边，signaling水平在初始化時的電壓轉(zhuǎn)換序列中就已經(jīng)被改變了该押。主機和卡通過ACMD41命令來確認雙方是否支持1.8V signaling模式。如果主機和卡都支持1.8V signaling模式阵谚，這就意味著UHS-I卡可用蚕礼。
• UHS-I只能使用4-bit的bus模式，CMD42是個例外梢什。如果卡被鎖住了奠蹬，就需要通過發(fā)送CMD42命令（1-bit模式）解鎖，然后發(fā)送ACMD6命令將bus模式切換到4-bit嗡午。
• 在卡解鎖的情況下囤躁，CMD19命令執(zhí)行在1.8V signaling的傳輸狀態(tài)。其他情況荔睹，CMD19都會被當做非法命令割以。

SD Memory Card Functional Description

對SD卡與主機(host)來說，有兩種操作模式：

• Card identification mode: 對卡reset重置后应媚，主機進入卡識別模式严沥，對卡來說，在reset后中姜，除非收到CMD3命令消玄，否則卡一直處于該模式下。
• Data transfer mode: 當卡第一次發(fā)布它的RCA后丢胚，該卡將處于數(shù)據(jù)傳輸模式翩瓜。而對主機來說，在它識別了bus線上的所有卡后携龟，進入該模式兔跌。

Card identification mode

Operating Condition Validation

SD卡識別模式流程圖如下：

SD Memory Card State Diagram (card identification mode)

1. 在主機與卡通信之前，主機不清楚卡支持的電壓范圍峡蟋，并且卡也不知道是否支持主機提供的供電電壓坟桅。主機會以默認電壓發(fā)送一個reset指令(CMD0),并且主機默認卡能支持該命令。然后蕊蝗，為了確認電壓仅乓，主機接下來會發(fā)送一個CMD8命令。

2. 為了驗證SD卡接口的操作條件蓬戚，主機通過發(fā)送SEND_IF_COND (CMD8)命令夸楣，去獲取SD卡支持的工作電壓范圍。SD卡通過檢測CMD8的參數(shù)部分來檢查主機使用的工作電壓，主機通過分析卡CMD8的response參數(shù)來確認SD卡是否可以在所給電壓下工作豫喧，如果SD卡可以在指定電壓下工作石洗，則它的response里面會包含cmd8參數(shù)里面提供的電壓 。如果不支持所給電壓紧显，則SD卡不會給出任何響應(yīng)信息讲衫，并繼續(xù)處于IDLE狀態(tài)。如果要初始化SDHC和SDXC鸟妙，在第一次發(fā)送ACMD41命令前焦人，必須先發(fā)送CMD8挥吵。

3. SD_SEND_OP_COND (ACMD41)命令來識別或者拒絕不匹配host主機供電電壓范圍的卡重父。如果SD卡在主機規(guī)定的電壓范圍內(nèi)不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，卡將放棄下一步的總線操作而進入不活動狀態(tài)(Inactive State)忽匈。

4. 主機發(fā)送ACMD41命令時房午，可以通過將該命令所帶的OCR參數(shù)設(shè)置為0，用來查詢卡支持的工作電壓范圍丹允。當ACMD41被用于查詢時郭厌，卡將忽略掉ACMD41里面的HCS參數(shù)。主機在查詢到卡的工作電壓后雕蔽，也許會將該電壓作為接下來發(fā)送的ACMD41命令的參數(shù)折柠。

5. 在整個初始化過程中，主機不允許改變正在操作的電壓范圍批狐。

Card Initialization and Identification Process

Card Initialization and Identification Flow (SD mode)

1. 當總線被激合后扇售，主機就開始處理卡的初始化和識別。在主機發(fā)送SD_SEND_OP_COND(ACMD41)命令開始處理SD卡初始化時嚣艇，主機會在ACMD41的參數(shù)中設(shè)置它的操作條件和設(shè)置OCR中的HCS位承冰。HCS位被設(shè)置為1表示主機支持SDHC或者SDXC。HCS被設(shè)置為0表示主機不支持SDHC和SDXC食零。

2. 卡利用OCR里面的busy位來通知主機ACMD41的初始化已經(jīng)完成困乒。如果busy位為0，表示卡還在初始化贰谣，如果busy位為1娜搂，說明初始化已經(jīng)完成。主機會在1s的時間內(nèi)吱抚，重復不斷地發(fā)送ACMD41命令涌攻，直到busy位被置1為止∑瞪耍卡只有在第一次收到設(shè)置電壓的ACMD41命令時恳谎，才會去檢查操作條件和OCR中的HCS位。并且在重復發(fā)送ACMD41命令的這段時間里，主機不應(yīng)該發(fā)送任何命令因痛，除了CMD0婚苹。

3. 如果卡能正確響應(yīng)CMD8，之后鸵膏，卡對ACMD41命令的響應(yīng)會包含一個CCS字段膊升，CCS在卡返回ready時（busy位置1）有效。CCS=0表示卡是SDSC谭企，CCS=1表示卡是SDHC或者SDXC廓译。

4. 在ACMD41之后，主機會發(fā)送 ALL_SEND_CID (CMD2)债查，獲取卡的CID非区。在卡發(fā)送它的CID之后，卡進入識別狀態(tài)（Identification State）盹廷。

5. 接著征绸，主機發(fā)送CMD3 (SEND_RELATIVE_ADDR)，請求卡發(fā)布卡的RCA俄占。RCA是一個比CID短的管怠，并且將來在數(shù)據(jù)傳輸模式中使用的地址。

Data Transfer Mode

因為一些卡在識別模式（Identification Mode）下缸榄，對操作頻率有限制渤弛，所以在識別模式結(jié)束前，主機的頻率需要一直保持在 fOD甚带。在數(shù)據(jù)傳輸模式（Data Transfer Mode）她肯，主機頻率在fpp范圍內(nèi)是可執(zhí)行的。

主機必須發(fā)送SEND_CSD(CMD9)來獲得卡規(guī)格數(shù)據(jù)寄存器(CSD)內(nèi)容欲低，獲取像塊大小辕宏、卡容量這類信息。

SET_DSR(CMD4)廣播命令配置所有識別到的卡的驅(qū)動階段砾莱。它對DSR寄存器進行編程以適應(yīng)應(yīng)用的總線布局（長度）瑞筐、總線上卡的數(shù)目和數(shù)據(jù)傳輸頻率。clock rate也是在這個時候從fOD切到fpp腊瑟。對卡和主機來說聚假，SET_DSR(CMD4)命令是個可選。

CMD7用于選擇卡闰非，并且將卡帶入傳輸狀態(tài)(Transfer State)膘格。在同一個時間內(nèi)，只有一張卡能進入傳輸狀態(tài)财松。當發(fā)送的CMD7的RCA地址參數(shù)為"0x0000"瘪贱，所有卡將跳回到準備狀態(tài)（Stand-by State ）纱控。

SD卡數(shù)據(jù)傳輸模式的流程圖如下：

SD Memory Card State Diagram (data transfer mode)

對已經(jīng)擁有RCA的卡來說，對它發(fā)送identification commands（比如ACMD41菜秦、CMD2）甜害，它將不會有任何回應(yīng)。在數(shù)據(jù)傳輸模式下球昨，主機與被選中的卡（使用定向命令）之間的數(shù)據(jù)傳輸都是點對點的尔店。通過cmd線，所有定向命令（addressed commands）都會收到一個用于確認的response主慰。

下面是數(shù)據(jù)傳輸模式下關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊恍┛偨Y(jié)：

• 在任何時候嚣州，所有的讀命令集在執(zhí)行過程中都可以被stop command (CMD12)打斷。cmd12命令將會使數(shù)據(jù)傳輸終止共螺，并且使卡退回到傳輸狀態(tài)（Transfer State）该肴。讀命令集包括：block read(CMD17), multiple block read(CMD18), send write protect(CMD30), send SCR(ACMD51) 和 general command in read mode (CMD56)。
• 在任何時候璃谨，所有的寫命令集在執(zhí)行過程中都可以被stop command (CMD12)打斷沙庐。寫命令集包括： block write(CMD24 and CMD25), program CSD(CMD27), lock/unlock command(CMD42)和general command in write mode(CMD56)鲤妥。
• 一旦數(shù)據(jù)傳輸完成佳吞，卡就會退出數(shù)據(jù)寫狀態(tài)，并且進入正在編程狀態(tài)（Programming State）（傳輸成功）棉安，或者進入傳輸狀態(tài)（傳輸失數装狻）。
• 如果一個塊寫操作被打斷贡耽，但是最后一個block的塊長度和CRC有效的話衷模，這塊數(shù)據(jù)也將會被編程到卡里。
• 卡也許會對塊寫操作提供緩存蒲赂，這意味著阱冶，在一個block還在被編程的情況下，下一個block可以被發(fā)送這個卡里面滥嘴。如果所有的寫緩存都已經(jīng)滿了的話木蹬，只要卡還在正在編程狀態(tài)，DAT0線就會一直保持在拉低狀態(tài)若皱。
• 對寫CSD镊叁、寫保護和擦除操作來說，卡不會提供緩存走触。這意味著晦譬，在卡正忙于處理這其中任何一個命令時，卡不會接收任何發(fā)送到卡的數(shù)據(jù)互广。只要卡還在忙敛腌，DAT0線就會拉低，并且處于正在編程狀態(tài)（Programming State）。
• 當卡正在編程時像樊，不允許任何一個參數(shù)設(shè)置命令集（Parameter set commands）夸溶。參數(shù)設(shè)置命令集包括： set block length(CMD16), erase block start(CMD32)和erase block end(CMD33)。
• 當卡正在編程時凶硅，不允許任何一個讀命令集缝裁。
• 當將其他的卡從準備狀態(tài)（Stand-by）切換到傳輸狀態(tài)（使用CMD7），不會中斷當前卡的擦除或者編程操作足绅。當前卡將會切換到斷開狀態(tài)（Disconnect State）捷绑，并且釋放數(shù)據(jù)線。
• 當卡正在編程或者待編程時氢妈，對其重置（發(fā)送CMD0或者CMD15）粹污，將會導致操作終止，并且可能會導致卡內(nèi)的數(shù)據(jù)內(nèi)容被破壞首量。因此主機有責任去禁止這樣的操作壮吩。

至此，本文關(guān)于SD卡協(xié)議的內(nèi)容就介紹到這里加缘。通過本文鸭叙，可以對SD卡有個大概的了解，尤其是關(guān)于SD卡初始化這段內(nèi)容拣宏。就SD卡協(xié)議這方面來說沈贝，了解一些基本的東西就行。在我們今后在遇到SD問題時需要時勋乾，可以翻出來看一下宋下。水平有限，有些地方可能會出現(xiàn)錯誤辑莫，望各位能指出來学歧，希望能和各位共同探討技術(shù)方面的內(nèi)容。