How to Use MMC/SDC

数字安全记忆卡（Secure Digital Memory Card）（以下简称SDC）实际上是用于移动设备的标准记忆卡。SDC向下兼容多媒体卡（Multi Media Card）（以下简称MMC），因此，使用SDC的设备只需要经很小的改动便可使用MMC。而今又出现了外形尺寸更小的版本，例如RS-MMC，mini SD以及Micro SD，功能都是一样的。MMC/SDC内置微控制器，闪存控制操作（擦除、读、写以及错误控制）都是在记忆卡内完成的。数据以512字节大小的数据块的形式在存储卡和主控制器之间传输，所以，从上层来看，存储卡可以被看成是一个普通的硬盘。一般情况下，记忆卡使用的文件系统是带有FDISK分区规则的FAT12/FAT16文件系统（FDISK的解释见附注）。对于大容量存储卡（≥ 4GB），通常使用FAT32文件系统。

      本文讲述了笔者在嵌入式系统中使用MMC/SDC时所用到的基础知识以及各方面的细节问题。笔者相信，对于那些想要使用MMC/SDC的同志们来说，本文必是有用的入门笔记。

接口（Contact Interface）

       下面的图片说明了MMC/SDC的接口。MMC拥有7个触片，SDC有9个触片（比MMC多出两个附加的触片）。这些触片中有三个触片是为了存储卡的供电而设计的，所以，能用于传递有效信号的触片就剩下4个（MMC）或是6个（SDC）。故而，在主机和存储卡之间的数据传输是通过一个同步串行接口（Synchronous Serial Interface）进行的。

      SDC的工作电压范围可以从其内部的一个特殊寄存器中读出，并以此来确定之。然而，由于MMC/SDC的正常工作电压范围为2.7V~3.6V，所以，实际供电电压可以定为这个范围中的任意一个值。因MMC/SDC的工作电流可以达到十几毫安，故主机系统必须能提供至少100 mA的电流。

SPI（Serial Peripheral Interface 串行外设接口）模式

       SPI模式是另一种操作模式，是为了能在没有MMC/SDC默认主机接口（SDIO接口）的情况下使用存储卡而定义的。与MMC/SDC的默认接口通信协议相比，SPI协议要简单得多。MMC/SDC可以通过普通SPI接口或是GPIO口与大部分微控制器相连。因此，对于低成本的嵌入式应用来说，SPI模式操作MMC/SDC是绝佳选择。而且，价格低廉的微控制器并没有MMC/SDC的默认主机接口（SDIO接口）。对于SDC来说，“SPI Mode 0”即为其SPI模式；而对于MMC来说，它使用的不是SPI时序，在SCLK的上升沿，数据的移出和锁存操作同时被执行，但在SPI模式中的SPI Mode 0下，MMC也能正常工作。因此，对于MMC/SDC接口来说，使用SPI Mode 0（CPHA = 0，CPOL = 0）再合适不过了，但若使用SPI Mode 3，MMC/SDC在大部分情况下也能正常工作。

SPI Mode（SPI模式）	Timing Diagram（时序图）
模式0：上升沿 数据先锁存，后移出
模式1：上升沿 数据先移出，后锁存
模式2：下降沿 数据先锁存，后移出
模式3：下降沿 数据先移出，后锁存

指令和响应

       在SPI模式下，信号线上的数据传输方向是固定的——面向字节的串行通信传输。从主机到存储卡的命令帧是一个固定长度的数据包（6个字节），见下图。当存储卡接受到命令帧时，对于命令帧的响应（R1，R2，R3）便可从存储卡中读出。数据的传输是由主机产生的串行时钟驱动的，主机必须不间断地读取字节——发送一个0xFF，然后接收响应数据，直到收到存储卡的有效响应。对于SDC来说，命令响应时间（Ncr）是0-8个时钟个数（单位为8个时钟周期），对于MMC来说，则是1-8个时钟个数。片选信号（CS）在对存储卡的一个执行过程（命令，响应以及可能存在的数据传输）中必须保持为低电平。在SPI模式中，CRC（循环冗余校验）是可选的，但是仍然需要一个位域以组成完整的命令帧。在读操作进行过程中，DI信号必须保持为高电平。

 

SPI指令集

       每条指令都以简略形式表达，例如GO_IDLE_STATE或者CMDD<n>，<n>是指令索引号，可以是0~63中的任意值。下面的表格仅给出了通常的读/写操作以及存储卡初始化时所使用的指令。对于所有指令的详细阐述，请参考MMCA和SDCA的规格说明书。

命令索引	参数	响应	数据	缩写	描述
CMD0	无	R1	无	GO_IDLE_STATE	软件复位
CMD1	无	R1	无	SEND_OP_COND	执行初始化进程
ACMD41(*1)	*2	R1	无	APP_SEND_OP_COND	仅针对SDC，执行初始化进程
CMD8	*3	R7	无	SEND_IF_COND	仅针对SDC Version 2。检查电压范围
CMD9	无	R1	有	SEND_CSD	读取CSD寄存器中的内容
CMD10	无	R1	有	SEND_CID	读取CID寄存器中的内容
CMD12	无	R1b	无	STOP_TRANSMISSION	停止读数据
CMD16	块长度[31:0]	R1	无	SET_BLOCKLEN	改变 读/写 数据块大小
CMD17	地址[31:0]	R1	有	READ_SINGLE_BLOCK	读取单个块
CMD18	地址[31:0]	R1	有	READ_MULTIPLE_BLOCK	读取多个块
CMD23	块的个数[15:0]	R1	无	SET_BLOCK_COUNT	仅针对MMC，定义在下一个多块读写指令中的块的个数
ACMD23(*1)	块的个数[22:0]	R1	无	SET_WR_BLOCK_ERASE_COUNT	仅针对SDC，定义在下一个多块写指令中要预先擦除的块的个数
CMD24	地址[31:0]	R1	有	WRITE_BLOCK	写一个块
CMD25	地址[31:0]	R1	有	WRITE_MULTIPLE_BLOCK	写多个块
CMD55(*1)	无	R1	无	APP_CMD	ACMD<n>指令的先行指令
CMD58	无	R3	无	READ_OCR	读取OCR寄存器中的内容

*1：ACMD<n> 表示CMD55-CMD<n>中的一个指令队列；
*2: Rsv(0)[31], HCS[30], Rsv(0)[29:0]
*3: Rsv(0)[31:12], Supply Voltage(1)[11:8], Check Pattern(0xAA)[7:0]

SPI响应

       对于不同的指令索引，一共有三种响应格式：R1，R2和R3，对于大多数指令来说，存储卡经常返回一个字节长度的R1响应，下图给出了R1响应中的位定义，值0x00表示命令执行成功，如果出现错误，R1响应中对应的状态位将会被置位。只有执行CMD58时，才会有R3响应（由R1及后面的32位的OCR组成）。

       有一些指令的执行时间比指令反应时间还要长，这些指令返回响应R1b。响应R1b是由R1响应和“忙标志”组成的（在内部进程执行过程中，引脚DO的电平必须始终保持为低电平）。主机需要等待这个过程结束——直到收到0xFF。

SPI模式下的初始化过程

       在上电复位后，MMC/SDC进入其默认操作模式。要进入SPI模式，必须执行以下步骤。

上电（存储卡插入）

       当供电电压达到2.2V时，至少需要等待1毫秒。保持引脚DI和CS为高电平至少74个时钟周期（这里的时钟是SCLK），然后存储卡才可以接收默认指令。

软件复位

       设置SPI时钟速率在100KHz~400KHz之间，然后发送CMD0指令，同时拉低片选（CS）引脚以复位存储卡。当存储卡接收到CMD0命令时，存储卡会自行检测引脚CS的电平，若CS电平为低，则卡片进入SPI模式。由于CMD0指令必须作为默认指令发出，所以指令中的CRC域必须填充一个有效值。一旦存储卡进入SPI模式，CRC校验功能被禁止，此后在指令执行时，存储卡不会检查CRC。

       so that command transmission routine can be written with the hardcorded CRC value that valid for only CMD0 and CMD8

       所以，把硬件记录的CRC值用于填充CMD命令中的CRC域，这样的“例行”命令只对CMD0和CMD8有效（这句翻译有问题，原文没太理解，不知是不是这个意思）。一旦CMD0命令被成功执行，存储卡会进入空闲状态，并向主机回复带有空闲状态标志的R1响应（0x01）。CRC校验功能也可以被命令CMD59打开。

初始化

       在空闲状态中，存储卡只接受命令CMD0（软件复位）、CMD1（初始化进程）、ACMD41（仅针对SDC的初始化）和CMD58（读取OCR寄存器），除了这些命令之外的其他命令无效。在空闲状态中，使用命令CMD58读取OCR寄存器中的内容，检查OCR寄存器指示的工作电压范围，万一实际供电电压超出了工作电压范围，存储卡必须被“弹出”，值得注意的是，所有存储卡的工作电压范围为2.7V~3.6V。当存储卡收到命令CMD1时，便开始执行初始化过程。主机在发送CMD1命令后必须不断检查卡片的响应以判断卡片的初始化是否已经完成。当卡片成功初始化时，空闲状态下R1响应中的空闲状态位被清零（R1响应由0x01变成0x00）。卡片的初始化过程可能需要几百个毫秒（卡的容量越大，初始化需要的时间也越长），所以我们需要考虑超时的问题。在空闲状态位被清零后，就可以执行普通的 读/写 命令了。

       因为对于SDC来说，建议采用ACMD41而不是CMD1作为卡片的初始化命令，所以我们可以先尝试ACMD41命令，若无效则再尝试CMD1命令，这样就可以完美支持这两种存储卡（MMC/SDC）。

       为了优化读/写卡片的性能，SPI总线的时钟速率应该尽可能的快，CSD寄存器中的 TRAN_SPEED 域表明了卡片可以接受的最快时钟速率。对于MMC来说，最快时钟速率为20MHz，对于SDC来说，大多数情况下，最快时钟速率则为25MHz。

      Note that the clock rate will able to be fixed to 20/25MHz in SPI mode because there is no open-drain condition that restricts the clock rate.

       注意，在SPI模式中，时钟速率可以被固定在20/25MHz，这是因为没有开漏条件可以限制时钟速率。（此话有点不理解，不知这样翻译是否恰当）

       对于2GB或更大容量的存储卡来说，初始的块长度可能会超过512，所以，如果需要，可以通过CMD16命令来改变 读/写 的块长度。

如何支持第二版本的SDC和高容量的存储卡

       在使用CMD0命令使卡片进入空闲状态后，发送命令CMD8（参数设置为0x000001AA），在初始化过程之前改变CRC。如果CMD8命令被拒——不合法的命令错误（0x05），那么存储卡为第一代的SDC或是MMCC。但若CMD8命令被接受，卡片会返回R7响应（由R1响应<0x01>和32位的数据位组成）。返回值0x1AA的低12位表明该卡为第二代存储卡，并能工作在2.7V~3.6V的电压范围之中，反之，卡片必须被“弹出”。CMD8命令成功执行后，则使用命令ACMD41（参数为第30位的HCS）执行初始化进程。在初始化进程结束后，主机需要读取OCR寄存器中的第30位（CCS），若该位被置位，则下面要阐述的数据读/写操作命令需要的参数是块的地址而非字节地址，一般情况下，块的大小为512字节。

数据传输

数据包和数据响应

       在数据传输处理中，在响应了主机的读写命令后，存储卡便会开始发送或接收一个或多个数据块。数据块是以数据包形式传输的，而数据包则由数据标志、数据块和CRC校验域组成。数据包的格式如下图所示，可以看到，数据标志有三种，其中，“停止传输数据标志”意味着多块读写操作结束，这个标志是作为字节单独使用的——不包含数据块以及CRC。

读单个块

        读命令CMD17中的参数指定了读取字节或块的起始地址。

       The sector address specified by upper layer must be scaled properly.
       上层（软件）必须合理指定扇区地址（这句话是否该这样理解）？

若CMD17命令成功执行，存储卡将会执行读操作，将读到的数据块发送给主机。在检测到有效数据标志后，主机会接收到数据域和两个字节的CRC校验域。

      The CRC bytes must be flushed even if it is not needed.
       尽管不需要，还是必须得刷新CRC域（flush到底该如何理解）。

       如果在读操作中出现错误，存储卡将会返回错误标志而不是数据包。

读多个块

     多块读的指令可以从指定地址中连续读取多个块。如果在多块读指令之前没有指定需要读取的块的数量，读进程将会以“开始—结束”的多块读形式执行，读操作将会持续到存储卡收到CMD12命令为止。在收到命令CMD12之后的字节是废弃字节，主机必须在收到命令CMD12的回应之前把该废弃字节丢弃掉。

写单个块

       当存储卡接收到写命令时，主机在收到命令响应后的1个时钟单元（1个单元为八个SCLK时钟周期）后向存储卡发送一个数据包。数据包格式和读数据命令中的数据包格式是一样的。除非CRC功能被开启，否则数据包中的CRC域可以被任何值填充。当数据包发出以后，存储卡会在收到数据包后立即反馈一个数据响应给主机。数据响应后紧跟着一个忙碌标志以执行写操作。大部分卡片无法修改写数据的块的大小，通常情况下写数据的块的大小为512。

       在SPI模式中，原则上，在一个操作过程中，片选信号（CS）必须始终保持为低电平，然而，这个规则还是有个例外的。当存储卡处于忙碌状态时，主机可以解除片选信号以释放SPI总线，从而去处理其他SPI设备。如果在存储卡处理内部进程时，片选信号再次有效，存储卡会将引脚DO的电平拉低。

Therefore a preceding busy check (wait ready immediataly before command and data packet) instead of post wait can eliminate waste wait time.
       因此，提前检查卡片忙碌状态（在发送命令和数据包之前就开始）而不是轮询等待，可以利用浪费的等待时间（这个话有点模棱两可）。

       此外，数据响应发出1个时钟单元后，卡片开始执行内部操作。换而言之，存储卡需要8个时钟周期以执行内部写操作。在此期间，不需要考虑片选信号的状态，从而可以释放SPI总线去执行其他工作。The state of CS signal during the eight clocks is negligible so that it can done by bus release process described below.——这句话的后半句怎么理解呢？

写多个块

       多块写命令从指定地址开始连续写多个块，若在多块写命令之前没有制定传输数据块的数量，默认将以“开始—停止”的方式执行该操作，即只有当数据包中的数据标志为停止传输数据标志时，写多个块的操作才会停止。此时，在停止传输数据标志后，引脚DO上会出现忙碌标志。对于SDC，

the multiple block write transaction must be terminated with a Stop Tran token independent of the transfer type, pre-defined or open-ended.
多块写操作需要“停止传输标志”来终止，该标志与数据传输类型无关，可以预先定义或采用“开始—停止”方式。（这句话该如何理解？）

读寄存器CSD和CID

      这些操作和读单个块的操作是类似的，只是不再需要定义数据块的长度了。CSD和CID寄存器中的内容以16字节数据块的形式发送给主机。对于该CMD命令的细节，寄存器CID和OCR的相关知识，请参加MMC/SDC的说明书。

总线浮动和热插入的考虑

       所有可能浮动的信号必须通过电阻拉成高电平抑或是低电平，对于MOS器件来说，这是一个很普通的设计规则。由于引脚DI和引脚DO一般情况下是高电平，需要拉高。SDC/MMC的规格书建议采用50KΩ~100KΩ的上拉电阻。然而，在SDC/MMC的规格书中并未设计到时钟信号的处理，这是因为时钟信号是由主机产生的，若时钟信号产生浮动，应该将之拉低。（这是为什么？）

       MMC/SDC支持热插拔，但需要注意主机电路的一些设计细节，以避免误操作。例如，如果系统供电直接和卡座的电源相连，那么在存储卡被插入卡座时，存储卡的内置电容（与电源引脚相连的电容）会被充电，从而产生充电电流，该电流会导致Vcc电压下滑。下图中，图A表示了在存储卡插入时，Vcc电压会下滑约600mV——这可能会出发单片机的BOD（Brown Out Dectect——欠压<低电压>检测）功能。图B表示了在电路中加入电感以阻止电流突变时，Vcc电压会下滑约200mV。需要使用低ESR（Equivalent Series Resistance——等效串联电阻）的电容，如OS-CON（固态有机半导体电容器——铝电解电容器），能够消除Vcc电压下滑，如图C所示。然而，低ESR的电容器也会导致LDO（Low Dropout Regulator——低压差线性稳压器）的不稳定。（可以采用开关电源稳压器）

 多从机配置的考虑

       在SPI总线中，每个从机都被独立的片选信号（CS）选中，因而，SPI总线可以连接多个从机设备。普通SPI从机通过片选信号驱动或释放其DO信号来共享SPI总线。

      However MMC/SDC drives/releases DO signal in synchronising to the SCLK.
       然而，MMC/SDC驱动或者释放DO信号是与SCLK同步的。

       这意味着MMC/SDC和其他连接到SPI总线的从机有可能产生总线上的冲突，下图表明了MMC/SDC驱动或释放的时序（引脚DO被拉到 Vcc/2 以看出总线状态）。因此，为了让MMC/SDC释放DO引脚信号，主机设备必须在释放CS信号后向从机发送一个字节。

In the SPI bus, each slave device is selected with separated CS signals, and plural devices can be attached to an SPI bus. Generic SPI slave device drives/releases its DO signal by CS signal asynchronously to share an SPI bus. However MMC/SDC drives/releases DO signal in synchronising to the SCLK. This means there is a posibility of bus conflict with MMC/SDC and any other SPI slaves that attached to an SPI bus. Right image shows the drive/release timing of the MMC/SDC (the DO signal is pulled to 1/2 vcc to see the bus state). Therefore to make MMC/SDC release DO signal, the master device must send a byte after CS signal is deasserted.

这段话的理解有困难，翻译不太准确。

优化写操作性能

      大部分MMC/SDC采用 NAND 闪存作为存储阵列。NAND闪存性价比较高且能够快速读/写大量数据。但是，其缺点是在重写某个区域的数据时效率很低。一般来说，闪存需要在写新数据之前擦除已有的数据，而且擦除操作的最小单位（称为擦除块）比写操作的数据块要大。典型的NAND闪存对于写/擦除操作的块大小为512Bytes/16KBytes。而且，当前的高速卡采用了“大容量块操作”芯片（2KB/128KB）。

      This means that rewriting entire data in the erase block is done in the card even if write only a sector (512 bytes).
       这表明，在NAND介质存储卡中，即使只写一个扇区的数据（512Bytes）也需要在擦除的块内重写整个数据。（这句话究竟想要表达什么）

标准

       现在假设某个嵌入式系统的存储空间是有限的，那么读写SDC/MMC的性能到底如何呢？笔者使用便宜的Atmega64（9.2MHz）进行了测试。考虑到存储空间有限，write( ) 和 read( ) 函数一次仅读取2048字节。测试结果是，在容量为128MB的SDC上，写速度为77KB/sec，读速度为328KB/sec。

       对于512MB的SDC，写速度低得可怜——只有128MB SDC写速度的1/3。一般来说，大容量存储设备的读/写速度与其面记录密度成正比。然而，对于存储卡来说，这个规则有时是相反的。对于MMC来说，看上去其读写速度好像是SDC的几倍，性能并不坏。笔者测试了不同厂家生产的SDC，发现PQI（劲永）厂家的SDC性能优于Hitach（日立）的MMC，而松下和东芝的存储卡产品性能较差。

擦除块的大小

      为了分析写操作的细节，

busy time (number of polling cycles) after sent a write data is typed out to console in the low level disk write function.
在发送一个写数据包后的忙碌时间（轮训时间）——这句话到底应该怎么理解。
Multiple numbers on a line indicates data blocks and a Stop Tran token that issued by a multiple block write transaction.
——这句话完全不理解。

      分析结果表明，对于128MB的SDC和512MB的SDC，其内部进程是有区别的。128MB的SDC是在多块写操作完成后重写整个擦除块。而512MB的SDC似乎内置了4KB的数据缓存，所以512MB的SDC以4KB为界重写擦除块，因此两者不能直接作比较。但重写擦除块的时间可以检测出，对于128MB的SDC，这个时间为3800（单位是什么），而512MB的SDC，这个时间则是30000——几乎是128MB SDC的8倍。从分析结果判断，似乎128MB的SDC采用了小容量块的主控芯片，而512MB的SDC则采用了大容量块或是MLC（Multi=Level Cell—多层单元）主控芯片。当然，块尺寸越大，重写小部分块的性能越低。对于512MB的SDC，只有存储介质顶端的512KB的空间重写速度较快。这段时间可以通过函数close( )中的写时间读出。可能该空间是为了快速FAT访问而进行了特别处理。

提升写速度

       为了避免上述提及的瓶颈，提高SDC/MMC的写速度，一次尽可能写入足够多的块（能与擦除块对齐是最好的）能提升写数据的性能。换而言之，就是分配一个大的数据缓冲区并将之传递给函数 fwrite( ) 。对于低级存储卡的写功能，必须预先告诉存储卡要写的扇区数以提高写处理的效率。这被称为“预定义多块写”。然而，这里的预定义指令与MMC（CMD23）及SDC（ACMD23）是不同的。

       当然，对于只有几KB RAM的廉价MCU来说，这些提升SDC写速度的方法可能是徒劳的。与SDC相比，CF（CompactFlash）卡的性能是其十倍。若你需要较高的写速度，CF或MMC比SDC更合适。

       存储卡出厂时被预先分区、格式化，以使分配单元与擦除块对齐。若不小心使用某个设备将MMC/SDC重新格式化或分区时造成与MMC/SDC的不兼容。这种优化会被破坏，写速度可能会降低。笔者曾经尝试过使用PC的FAT32重新格式化512MB的SDC，在文件复制时的传输速度下降了不少。因此，重新格式化存储卡需要使用与MMC/SDC兼容的设备而不是PC。