SD总线模式简介

一、SD 存储卡基本介绍

1、存储容量

capacity.png

2、电压范围
* 高电压SD存储卡，电压范围为：2.7 ~ 3.6 V

3、SD 存储卡可以用密码保护（CMD42 - LOCK_UNLOCK）
4、标准 SD 存储卡的厚度是 2.1mm 或者 1.4 mm
5、SD 存储卡传输速度分类

speed.png

大容量和超大容量 SD 存储卡至少应该为 class-2

6、SD 存储卡结构图
引脚说明如下图所示：

structure.png

引脚的差异：

pin.png

7. 写入速度

• AU：分配单元 ；RU：记录单元

AU/RU.png

注：向AU写入数据，已经被使用的RU需要跳过，used_RU的rate越高，速度越慢

diff std.png

• RU被使用的比例与写入速度的关系：
  r=0 —— 记录单元均未使用，可连续写入；r=1 —— 单元均被使用，写入速度为0

speed_curve.png

• 不同容量的SD卡对应 AU和RU的size

AU/RU of diff SD.png

8.总线速度

• SDR一个周期采样一次，传输 1 bit数据，DDR上升沿 下降沿分别采样一次，传输 2 bit数据
• 通过CMD11来完成电压切换，以进入不同的访问模式
• ACMD41和CMD6中的limit func 来设置current

bus_speed.png

9.寄存器register

register.png

• OCR 寄存器：OCR （操作条件）寄存器中存储了卡片的电压信息以及部分状态信息：其中一个状态位（bit 31）指示卡片的上电操作是否完成，另外一个状态位（bit 30）指示卡片的容量状态（0代表SDSC、1代表SDHC或者SDXC）；
• CID 寄存器：CID （识别信息）寄存器总共 128 bits，包含了卡片的识别信息，每个独立的卡片都应该有一组独一无二的识别信息；
• CSD 寄存器：CSD（具体信息）寄存器也是 128 bits，提供了访问卡片内容的一些信息如：传输速率、数据格式、错误类型、最大是数据访问时间、DSR 寄存器是否启用的。其中 bit[126:127] 记录了 CSD 的版本号，CSD version 1.0 为标准容量卡所用，CSD version 2.0 为大容量或超大容量卡所用；
• SCR 寄存器：SCR（SD 配置）寄存器总共 64 bits，定义了卡片的一些特殊功能；
• CSR 寄存器：CSR（卡片状态）寄存器总共 32bits，代表了执行一个命令的错误和状态信息，其信息包含在 R1 格式的应答中返回给主机；
• SD Status 寄存器：SD Status 寄存器包含了 SD 存储卡的的专有属性并为以后的功能扩展保留了足够的空间，其大小为 512bits 即一个块大小，这个寄存器作为ACMD13命令的执行结果，通过DATA线发送到主机；
  10.CMD简介
  CMD：在CMD线上传输，由主机host给到card
  常见CMD-----
  CMD0：重置所有sd卡状态至 idle state
  ACMD6：切换数据传输模式（1bit <>4bit）
  CMD11：切换电压
  CMD55：设置sd卡的地址为默认0x0000
  ACMD41:根据SD卡初始化
  CMD2：获取SD卡的ID
  CMD3: 返回新的相对地址给host
  CMD16: 定义块长度
  CMD17：读取单块数据
  CMD18：读取多块数据
  CMD24：写入单块数据
  CMD25：写入多块数据
  CMD12：终止读写操作
  CMD7：切换card , 将SD 卡的状态变为stand-by
  ACMD23-CMD23-CMD33-CMD38: 数据擦除
  CMD42：给SD卡加锁解锁

11. response响应
    Response：应答是卡片发回数据的令牌，响应主机之前发送的命令。应答的编码格式如下图所示：每个令牌都有一个起始位和结束位，总长度为48 bits 或者136 bits，有相应的 CRC 校验码。应答信号也只在 CMD 线上传输，并且 MSB 为先，方向从card到host。

    • R1/R1b(48bit) 为通常命令的应答格式，如下图所示

      
      
      R1_res.png
    • R2 (136Bit) >> CID(CMD2,CMD10) & CSD (CMD9)
    • R3 (48Bit) >> OCR(ACMD41)
    • R6 (48Bit) >> RCA(CMD3)
    • R7 (48Bit) >> Card interface condition(CMD8)

12.其他注意事项

• 若多个sd卡连在bus上，host会独立的与不同sd卡进行通信
• 在CMD线上传输 command（host>card） 和 response(card>host) ；
• 当wide bus的选项开启的时候，各条数据线同时传输； busy signaling 和 CRC status 只会在data0数据线上传输
• SPI协议定义的是物理层连接，而不是完整的传输协议
• 执行write操作，数据保护机制（寄存器CSD），SDHC不支持;
• SD在执行read操作时，移除卡，不会损失数据；
• 在data transfer 过程中，传输模式均为 点对点 （host to single card）
• 当处于programming state，是无法进行read操作 和 参数设置，如：set block length (CMD16), erase block start (CMD32) erase block end (CMD33)；
• CMD0 | 15 能够终止programming 操作，可能会造成数据损坏
• 写入时，采用预擦除策略（ACMD23）提前定义将要写入的块数，能够让写操作更快
• 上锁解锁的CMD仅在 transfer state来进行
• SD卡数据传输的单元大小是一个字节，所有的数据大小均为字节的整数倍：
• 关于块大小等信息均存储在CSD中
• Block :块面向数据读写的单元，大小是字节的倍数
• AU是SD卡存储容量的边界
• 可擦除块的大小是不同于读写块的大小
• WP-Group：是写保护的最小单元{用于可擦除 的设备}

WP-group.png

二、SD 存储卡功能描述

SD 卡有两种操作模式：1、卡片识别模式，2、数据传输模式。所有的通信都是由主机控制的，即通过编址命令或者广播命令。卡片在两种模式之间的状态转换如下图所示：

mode.png

1、卡片识别模式

• SD卡上电后，卡处于空闲状态
• 主机发送CMD0复位SD卡，首先判断该card属于哪个版本的协议，然后通过CMD8判断当前电压是否在卡的工作范围内,若不支持该电压，不会给出返回值；
• 默认是1bit bus，可通过ACMD6设置为4bit bus传输（不加锁时）;
• 确认后每隔1s发送一次ACMD41命令，来初始化卡片；
• ACMD41参数中有HCS（容量）和voltage的判断条件，根据card和host是否支持1.8V的电压，可CMD11来切换其工作电压至1.8V(default 3.3V)；
• 主机可以继续通过CMD2读取SD卡的CID寄存器（确认容量信息，相对地址）；
• 通过CMD3让SD卡将相对地址发送给host，然后SD卡就进入等待状态；
• Host通过CMD7可通过RCA地址的选择来释放当前连接而选择RCA对应的SD卡进入transfer state，当RCA地址为0x0000，释放所有连接均进入等待状态；
• 从CSD寄存器中，主机可以获知卡容量，支持的命令集等重要参数;

• SD卡以进入了传输状态，主机就可以通过CMD17/18和CMD24/25对卡进行读写

  
  
  flow.png

card identification mode.png

card identification and initial flow.png

2、数据传输模式

CMD7 用于选择一个卡片进入传输模式，在同一时间只能有一个卡片处于传输模式。如果当前卡片与主机处于数据传输模式的连接状态，新的 CMD7 命令中的RCA [bit16 - bit31] 不是当前卡片的，则会释放连接并且当前卡片进入等待状态，然后连接新 RCA 的卡片。如果主机发送 CMD7 时，RCA = 0x0000，则所有的卡片都进入等待状态。数据传输模式下的状态转换如下图所示：

a、所有读取数据的命令在任何时间都能被 CMD12 终止。读取数据的命令包括：CMD17（读取单块数据）、CMD18（读取多块数据）、CMD30（读取写保护状态位）、ACMD51（读取 CSR 寄存器）、ACMD56。
b、所有写入数据的命令在任何时间都能被 CMD12 终止。写入数据的命令包括：CMD24（写入单块数据）、CMD25（写入多块数据）、CMD27（设置 CSD 寄存器）、CMD42（加锁解锁）、ACMD56。、
c、一旦数据传输完成，卡片将会马上退出数据写状态并且切换到编程状态（数据传输成功就写入存储介质）或者传输状态（数据传输失败）。
d、如果写操作停止，块长度和最后一块的 CRC 校验码是有效的，数据将会被写入存储介质。
e、卡片支持写缓存，这就意味着当前块在进行编程操作时下一块也可以进行传输。如果写缓存满了，卡片还是处在编程状态，则卡片会将DATA0一直拉低（忙状态）。
f、设置 CSD 寄存器时不提供缓存，也就是如果正在进行 CSD 设置，任何的数据传输命令都将被拒绝执行，DATA0 也会被一直拉低。
g、当卡片处于编程状态时，读命令和参数设置命令将不被执行。参数设置命令包括：CMD16（设置块长度）、CMD32（设置擦除的起始块数）、CMD33（设置擦除的结束块数）。
h、CMD7 命令不会终止擦除和编程操作。
i、通过 CMD0 或者 CMD15 重置卡片时将会结束所有挂起或者正在进行的操作，这有可能会破坏卡片的数据，所以需要主机来保证安全。
j、CMD class10 的命令之间的状态转换由厂家自己定义。

data transfer.png

3、数据读写流程

在卡片上电以及执行 CMD0 后为 1bit bus，宽总线（4bit bus）模式可以通过 ACMD6 命令设置，在设置时卡片必须处理传输模式而且没有加锁。容量大于 2GB 的卡片最大块长度可能为 1024 字节，但是 CMD16 命令最大只支持 512 字节。

a.读取数据（CMD16设置数据块大小）

• 当总线上没有数据传输时总线保持高电平;
• CMD17命令将会读取一个块的数据，块地址在命令的参数中列出
• CMD18命令将会连续的读取多块数据
• CMD23 命令可以指定读取的块数。
  传输以低电平开始并以高电平结束，数据流包括有效数据和ECC值，
  CRC 校验码将会被加入到每块数据的末尾以确保传输的完整性;

b.写入数据（CMD16设置数据块大小）

• 单块写入命令为 CMD24
• ACMD23预擦除，多块写入命令为 CMD25。

c.擦除数据（CMD16设置数据块大小）

• CMD32 命令指定擦除的开始块，
• CMD33 命令指定擦除的结束块，
• CMD38命令启动擦除,
  如果将要擦除的块是写保护的则跳过。
  在擦除过程中DATA0保持低电平。
  在写或者擦除的过程中可以通过CMD7命令去操作别的卡片

4、加锁解锁

SD 存储卡支持加锁功能，密码以及长度保存在 128bits 的 PWD 和 8bits 的 PWD_LEN 寄存器。被加锁的卡片可以响应 class0 、CMD16、ACMD41、LOCK CARD（class7）命令，但是不能访问数据。如果卡片被加锁，则 PWD_LEN不为 0，卡片在上电后就会进入锁定状态。加锁解锁的命令为CMD42，该命令的数据块格式如下图所示：

lock.png

• ERASE：强制擦除操作，第 0 byte 的 bit3 需要置 1，并且其他位置 0。
• LOCK_UNLOCK：1 = Lock the card，0 = Unlock the card。这个 bit 的操作需要和 SET_PWD 相同。
• CLR_PWD：1 = 清除密码。
• SET_PWD：1 = 设置新密码。
• PWDS_LEN：定义了密码的长度（bytes），如果改变密码，则是新密码和旧密码的长度。
• PWD：如果是新密码，则保存的是新密码。如果改变密码，则保存的是新密码和旧密码。
  应当在发送 CMD42 之前通过 CMD16 设置数据块长度，而且数据块长度应该不小于 CMD42 数据块的长度。

5.SD卡插拔

• 向SD卡写入数据，clk和data的方向一致，可不考虑延迟；
• 从SD卡读取数据，clk和data的方向相反，延迟较为严重，在Host上需要 时钟发生器

in/out.png