SD卡学习笔记

每个sector为512B，与IDE磁盘一样。通过读写命令读取一个多个sector。主控程序不需要关注SD具体是怎么实现读写与擦写的。

每个sector可以耐受100,000次写操作，无限次读操作。

每当sector被用命令erase命令擦除了，那么写操作将会更快。

1 功能概述

1.1 SD模式

1.1.1 Card ID

    CID是用于存放SD卡识别码的寄存器。在SD出厂之前，CID都被写入了唯一的值。

    通过READ_CID命令读取，只能读取，不能修改。

1.1.2 状态

    Card_Status存放在一个32位的状态寄存器中，作为卡中的一个数据域，返给主机。

    用SEND_STATUS命令读取。

    SD_Status存放在512位的数据块中，当收到主机的SD_STATUS(ACMD13)命令时发出。SD_STATUS包括扩展的与BUS_WIDTH相关的状态位。

1.1.3 存储分区

    SD卡存储的基本单元是BYTE，所有的数据操作都是通过BLOCK为单元进行。

        <1> BLOCK， 块。读写操作的最基本单元。块大小可以设置或固定。关于一块大小的数据存放在CSD寄存器中。
        <2> SECTOR，扇区。擦除操作的基本单元。扇区的大小是固定的。CSD中有相应说明。
        <3> WP Group，写保护组。它指可以用一位保护的组。大小在每都设备中都是固定的。CSD中有说明。

1.1.4 读写操作

    两种模式：单块，多块。

1.1.5 传送速率

    单线（DATA0）：25Mbit/s

    四线（DATA0～3）：100Mbit/s(12MB)

1.1.6 数据除错

    ECC，Error Correction Code。在数据写入时就会为每个扇区计算一个ECC。在读该扇区数据时，如果出现错误SD会在传给主机前纠正数据。

1.1.7 擦除

    sector是擦除的最小单元，一次性擦除多个扇所需的时间相同。第一个命令是擦除的start address，紧跟着是擦除的end address，那么这个区间的所有扇区都将会被擦除。

1.1.8 写保护

   

1.1.9 Copy bit

    在CSD寄存器的copy bit用于标志SD卡中，哪些内容是原始的，哪些是复制的。

    一旦某位被置1，那么不能清0了。

 

1.1.10 CSD寄存器

    SD卡中的所有配置信息都存储在CSD卡中。

    主机可以通过SEND_CSD命令读取CSD寄存器的值，也可以通过PROGRAM_CSD命令修改。

 

1.2 SPI 模式

1.2.1 工作条件

    OCR是operating condition寄存器。指定了SD卡在哪些状态下可以正常工作，哪些状态下进入非激活状态。

    READ_OCR（CMD58）命令。可以发送GO_INACTIVE命令进入非激活状态。

1.2.2 状态

    只有16位从32位的状态寄存器读出。该寄存器可以通过ACMD13读取。

2 接口特性

2.1 寄存器

 

寄存器列表

寄存器名	位长	说明
CID	128	SD卡唯一的识别码
RCA	16	相对地址（SPI不可见）
CSD	128	卡功能数据
SCR	64	SD卡配置寄存器
OCR	32	操作条件

 

     默认下，上电SD卡自动进入空闲状态。主机也可以发送GO_IDLE(CMD0)重位SD卡。

 

2.1.1 OCR

    指定SD卡的工作电压范围。（CMD1）

2.1.2 CID

    CID寄存器长16B，包含了唯一的卡识别码。其中的值在出产时已固定，不能被修改。
    注：SD卡与MMC卡的结构有所不同。

2.1.3 CSD

    CSD包含配置信息。
    注：SD卡与MMC卡的结构有所不同。

2.1.4 SCR

    SCR是CSD的扩展。也包含了部分配置信息。

2.1.5 状态寄存器

    SD卡支持两种卡状态域：

        <1> Card Status----（32bit）兼容MMC（MultiMediaCard）卡。
        <2> SD_Status----（512bit），在传给主机时附带CRC16。当SD卡收到ACMD13（CMD55+CMD13）命令后会发送该寄存器的值。

2.2 电气特性

2.2.1 上电

    上电或热插拔后，SD卡自动进入IDLE状态。在接收到ACMD41（ACMD类型命令发送之前要发送CMD55命令）之前，SD卡忽略所有指令。
    ACMD41是一种特殊的同步命令，用于判断是否在电压范围。如果不在操作电压范围，ACMD41的应答中包含busy位，以示SD卡还未准备好。主机必须等待busy位清0了才能进行下一步操作。busy位的等待时间不会超出1秒。

    在启动后，主机要在CMD线上发送初始化序列。不要超过1ms，74个时钟；再加上10同步时钟。

    主机都能够通过执行CMD1与ACMD41。CMD1用于询问MMC（MultiMediaCards）的操作条件。

 

3 总线协议

3.1 SD总线

    （略）

3.2 SPI总线

    与SD总线协议不同，SPI总线是以字节为单位进行通信，不需要起始位与结束位。

    主机数据传递都是通过CS位低开始。

    与SD总线不同之处有三：

        <1> 被选择（CS被拉低）的卡响应请求。
        <2> 使用8位或16位数据格式。
        <3> 当通信出错，SD卡会应答error，而不是像SD卡那样等待超时。

    在卡正在执行写操作时，向卡发送每一个数据块都会返回特定的响应标志。

3.2.1 模式选择

    SD卡唤醒后进入SD总线模式。如果CS信号线在应答命令CMD0时被拉低，那么就进入SPI模式。

    只有重新上电才能恢复SD总线模式。在SPI模式下，SD卡协议机制不可见。支持SPI模式的SD卡命令均可用。

    CRC校验默认在SPI模式下为关闭。

    CMD0是一个静态命令，CRC值为0x4A不变。CMD0命令完整的序列为：40 00 00 00 00 95

3.2.2 总线数据传递保护

    SPI接口默认下是无保护传输模式。主机可以通过CRC_ON_OFF（CMD59）命令打开或关闭此项。

 

3.3 协议功能

     本节主要描述SD卡的各个命令的功能与操作方法。

    SD卡发送两类命令：广播命令、点对点命令。

    SD卡有两种操作模式：卡识别模式、数据传输模式。

      <1> 卡识别模式，从卡复位到接收到SEND_RCA（CMD3），卡处于该模式。

      <2> 一旦卡的RCA确定了，就进入数据传输模式。

3.3.1 卡识别模式

    主机通过SD卡的CMD线发送（CMD3）命令告诉SD卡RCA（相对卡地址）。

3.3.1.1 复位

    复位，不论当前是什么状态，收到CMD0时，都会进入空闲状态。
    在上电后，在进行通信之前，CLK要给至少74个时钟，MOSI为高。

3.3.1.2 操作电压范围

    主机发送SEND_OP_COND（ACMD41）可以让SD卡发送OCR。由于ACMD41是应用命令，故在之前一定要发送CMD55。

    MMC不响应ACMD41，主要原因是MMC不识别CMD55。MMC中CMD1的功能与ACMD1等效。

    实际运用中，可以使用ACMD41与CMD1来区别当前卡是SD卡还是MMC卡。

    ACMD41应答中的busy位用于告诉主机当前还不能进行数据通信。因此，主机要重复发送ACMD41，直到busy位为0为止。

    GO_INACTIVE_STATE (CMD15) 可以将向已标记地址的卡转入非激活态。这个命令用于解除一张卡。

3.3.1.3 卡识别过程

    在总线被激活后，主机发送ACMD41（CMD55+CMD41）。
    主机发送CMD2获取每张卡的CID。SD卡进入卡识别状态。
    主机发送CMD3让SD卡公布新的相对地址RCA。相对地址比CID短，再在今后的通信中都会使用到。SD卡进入空闲状态。从此之后，如果主机要求更换SD卡的RCA，则再次发送CMD3即可。RCA以最后一次有准。

    MMC是用CMD2与CMD3实现上述过程。

3.3.2 数据传输模式

     主机发送CMD9获取CSD中的数据。

    CMD7用于在空闲状态与传输状态下切换。当CMD7的RCA为0x0000时，所有的卡切换成空闲状态。

    <> 读操作。
         所有的读命令都可以通过CMD12取消。
         CMD17读单一块，CMD18读多块。写保护CMD30。ACMD51，CMD56。

    <> 写操作
          所有的写命令都可以通过CMD12取消。写命令以CMD7终止。
          块写（CMD24，CMD25），锁与解锁（CMD42），CMD56。
        

     （详见《SD卡说明》P61）

3.3.2.1 读格式

    读一块的大小定义在CSD (READ_BL_LEN)中。读出的数据块后都会跟一个CRC校验码。
    CMD17启动单块读操作，读完后自动回到传递状态。CMD18启动多块读操作，SD卡连续发送数据，直至收到停止命令。

3.3.2.2 写格式

     (CMD24—27,42,56(w))开启单个或多个块的写操作。主机向SD卡发送的数据都必须跟CRC校验码。SD卡允许的最小写单位为512B。
    在需要连续写入多块数据时，建议使用多块写入命令。对于小于512B的块写入是不允许的。

    当主机尝试向已保护的区域写数据时，SD卡不执行该操作，在状态寄存器上值WP_VIOLATION位，并忽略后面的操作。

3.3.2.3 预擦操作

    在执行多块写操作之前执行了预擦命令（ACMD23），告诉卡将要写入的块数。这样会让写速度更快。
    主机通过该命令告知SD卡，接下来将会写入多少块数据。如果主机在写操作实际没有写那么多块，那么剩下的块数据是不确定的。如果实际写入的大于预定的，那么卡将一块一块地擦除。

    建议使用CMD25命令，让多块写操作更快。

3.3.2.4 擦除

    （详见P64）

3.3.2.5 应用功能命令

（1）APP_CMD(CMD55)

    该命令会告诉卡，下一条命令是ACMD。

    在APP_CMD命令发送之后立即发送ACMD会导致APP_CMD命令被覆盖。应该等卡响应后方可。
    <1> 发送APP_CMD。应答中APP_CMD位置位，表示卡已准备好。
    <2> 发送ACMD。应答中APP_CMD位置位，否则该位清0。

    如果是非合法命令（不是ACMD也不是CMD），则卡会当作错误命令处理。

（2）GEN_CMD(CMD56)

    类似块读写命令（CMD24与CMD17）。

 

3.3.2.6 命令类型

    命令有以下四种类型：

    * 广播（bc）
    * 广播需要应答（bcr）
    * 点对点命令（ac）
    * 点对点数据传输命令（actr）

3.3.2.7 命令功能详解

    （详见《SD卡手册》P72）

序列	类型	参数	应答	缩写	功能
CMD0	bc	----	----	GO_IDLE_STATE	复位卡到空闲状态
CMD2	bcr	----	R2	ALL_SEND_CID
CMD3	bcr	----	R6	SEND_RELATIVE_ ADDR
CMD9	ac	[31:16] RCA	R2	SEND_CSD
CMD10	ac	[31:16] RCA	R2	SEND_CID
CMD11	adtc	[31:0] data address	R1	READ_DAT_UNTIL_ STOP
CMD12	ac	----	R1b	STOP_ TRANSMISSION
CMD13	ac	[31:16] RCA	R1	SEND_STATUS
CMD15	ac	[31:16] RCA	--	GO_INACTIVE_ STATE

读块

序列	类型	参数	应答	缩写	功能
CMD16	ac	[31:0] block length	R1	SET_BLOCKLEN
CMD17	adtc	[31:0] data address	R1	READ_SINGLE_ BLOCK
CMD18	adtc	[31:0] data address	R1	READ_MULTIPLE_BLOCK

写块

序列	类型	参数	应答	缩写	功能
CMD24	adtc	[31:0] data address	R1	WRITE_BLOCK
CMD25	adtc	[31:0] data address	R1	WRITE_MULTIPLE_ BLOCK

 写保护

    CMD28，CMD29，CMD30

擦除

    CMD32，CMD33，CMD38

应用功能命令（CMD55+）

    以下不一一举列，

 

3.3.3 应答

 

学习总结

（标题5）

1. SD卡是怎么识别SD总线与SPI总线模式的？

    SD卡的CMD/MISO引脚在SD总线模式扮演CMD线，在SPI模式是MISO线。无论是什么模式，该脚都能接收数据。
    在SD卡上电后，SD卡并不知道自己处于什么通信模式。这并不防碍CMD/MISO脚输入数据。主机通过该脚发送CMD0命令。
    如果SD卡在应答CMD0命令时，CS引脚为低电平，则认为当前的通信模式为SPI总线模式。