SD卡资料编写.docx
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SD卡资料编写
SD卡资料整理
1、概述
SD卡高度集成闪存，具备串行和随机存取能力。
可以通过专用优化速度的串行接口访问，数据传输可靠。
接口允许几个卡垛叠，通过他们的外部连接。
接口完全符合最新的消费者标准，叫做SD卡系统标准，由SD卡系统规范定义。
SD卡系统是一个新的大容量存储系统，基于半导体技术的变革。
它的出现，提供了一个便宜的、结实的卡片式的存储媒介，为了消费多媒体应用。
SD卡可以设计出便宜的播放器和驱动器而没有可移动的部分。
一个低耗电和广供电电压的可以满足移动电话、电池应用比如音乐播放器、个人管理器、掌上电脑、电子书、电子百科全书、电子词典等等。
使用非常有效的数据压缩比如MPEG，SD卡可以提供足够的容量来应付多媒体数据。
安全数字存储卡（SecureDigitalMemoryCard，SDC）作为事实上的标准存储卡广泛应用于移动设备上。
SDC曾作为高层兼容多媒体卡（MultiMediaCard，MMC）进行开发。
SDC设备一般也兼容MMC。
还存在一些功能相同但尺寸更小的版本，如RS-MMC、miniSD和microSD。
MMC/SDC内置一个微控制器，在卡内部执行flash存储操作（擦写、读取、写入、错误控制和功耗平衡（Wearleveling））。
数据以512字节为单位在存储卡与主机控制器之间传输，从高层看来，卡可以被看作是通用硬盘设备。
当前定义的用于存储卡的文件系统为FAT12/16并使用FDISK分区规则。
FAT32仅用于大容量卡（>=4G）。
SD卡允许在两种模式下工作，即SD模式和SPI模式，本系统采用SPI模式。
本小节仅简要介绍SPI模式。
2、引脚
SD卡引脚如下图所示：
SD卡外部引脚图
micro-SD卡-本卡的物理尺寸见【1】。
SPI模式下SD各管脚名称为.JPG
注意：
SPI模式时，这些信号需要在主机端用10~100K欧的电阻上拉【2a】p4，如下表的相应引脚说明【2a】p5。
输入端是MOS管的G极，输出端很可能是OC输出或者输出电阻较大，需要增加上拉电阻以消除SD卡输入输出信号线上的不确定性与干扰。
也可以采用缓冲门方式，如【3】（我们现在购买并使用的）的电路为：
缓冲整形元件采用74VHC125，但该电路中的电阻绘制错误，应该是上拉电阻而不是串联电阻，如需要限流应该在每一个与外界连接的线上串联而不是只串联R4。
另外的在网上下载的几种连接图如下。
SD卡的几种连线图。
上面的连接可能没有必要。
5529实验板的连接如下。
该电路图仅在片选端CS上增加上拉电阻，而此处并不存在电平不确定的问题，因而是没有必要的。
很可能是MSP430的SPI口一旦设置，则在空闲时段SPI各口线仍保持确定的电平，故，不需要上拉电阻，另外，由于5529试验板的SD卡距离单片机很近，干扰很小，不需要采用74VHC125进行整形与缓冲。
可以在现有板上逐步拆解进行试验，拆解至不能正常运行的程度为止。
不过为了增加可靠性，还是增加一些上拉电阻好一些。
SD卡卡座：
3、寄存器
内部结构如下图。
SD卡内部图.JPG
SD卡中的微控制器SDControler在与主机通讯的过程中，根据命令与寄存器中的参数决定如何操作。
SD卡中的寄存器有【4】p7：
在SPI模式下，只有OCR、CID、CSD3个寄存器可以访问【2b】p18。
各寄存器的进一步解释如下【4】p10：
1）、OCR寄存器
32位的操作条件寄存器OCR（OperatingConditionsRegister）存储了VDD电压范围。
下图的例子中，OCR的4～14位为0，15～23位全为1，表示SD卡的电压范围是2.7～3.6V。
2）、CID寄存器
CID（CardIdentification）寄存器长度为16个字节，是SD卡唯一的标识号，包括生产厂家、生产日期、产品序列号等，该号在卡生产厂家编程后无法修改。
3）、CSD寄存器
CSD（CardSpecificData）寄存器包含访问卡数据所需的配置信息。
其部分字节的意义如下表【2】p39。
见“搜索XX关键词sd卡csd寄存器。
见网页：
SD/MMC相关寄存器的介绍，lwj103862095的专栏-博客频道-CSDN”，对CSD内容定义的结构变量如下。
相应的读取CSD程序见附录1。
typedefstruct
{
uint8 CSDStruct; //CSD结构
uint8 SysSpecVersion; //系统规范版本
uint8 Reserved1; //保留
uint8 TAAC; //读取时间1
uint8 NSAC; //数据在CLK周期内读取时间2
uint8 MaxBusClkFrec; //最大总线速度
uint16CardComdClasses; //卡命令集合
uint8 RdBlockLen; //最大读取数据块长
uint8 PartBlockRead; //允许读的部分块
uint8 WrBlockMisalign; //非线写块
uint8 RdBlockMisalign; //非线读块
uint8 DSRImpl; //DSR条件
uint8 Reserved2; //保留
uint32DeviceSize; //设备容量
uint8 MaxRdCurrentVDDMin; //最小读取电流@VDDmin
uint8 MaxRdCurrentVDDMax; //最大读取电流@VDDmax
uint8 MaxWrCurrentVDDMin; //最小写入电流@VDDmin
uint8 MaxWrCurrentVDDMax; //最大写入电流@VDDmax
uint8 DeviceSizeMul; //设备容量乘积因子
uint8 EraseGrSize; //擦出块大小
uint8 EraseGrMul; //擦出扇区大小
uint8 WrProtectGrSize; //写保护群大小
uint8 WrProtectGrEnable; //写保护群使能
uint8 ManDeflECC; //ManufacturerdefaultECC
uint8 WrSpeedFact; //写速度因子R2W_FACTOR
uint8 MaxWrBlockLen; //最大写数据块长度
uint8 WriteBlockPaPartial; //允许写的部分
uint8 Reserved3; //保留
uint8 ContentProtectAppli; //Contentprotectionapplication
uint8 FileFormatGrouop; //文件系统群
uint8 CopyFlag; //拷贝标志
uint8 PermWrProtect; //永久写保护
uint8 TempWrProtect; //暂时写保护
uint8 FileFormat; //文件系统
uint8 ECC; //ECCcode
uint8 CSD_CRC; //CSDCRC
uint8 Reserved4; //始终为1
}SD_CSD;
CSD记录了SD卡的一些技术参数，这些参数在产品说明书中应该可以看到，大部分内容是相同的，应该是只能读取，不能改变，一般情况下无需关心。
SD卡的寄存器与AD的寄存器不同，寄存器的作用较小，主要依靠命令进行不同的操作。
4、SPI模式协议
SD卡启动时处于SD模式。
它将在CS信号有效（低电平）时接收到一个复位命令（CMD0），回应R1，表示进入SPI总线模式，否则，表示SD卡仍停留在SD模式。
SPI总线模式下，默认的命令结构/协议CRC检查失效，由于电源开启时总是处于SD总线模式，CMD0后需要跟一个合法的CRC（即时CMD0使用SPI结构来发送）。
一旦进入SPI总线模式，CRC失效。
CMD0的完整值是：
400000000095H。
SD卡有设定好的复位顺序。
在上电复位或软复位（DMD0）后，进入静止状态，只能接收4条合法的命令：
CMD1、CMD41、CMD59、CMD58。
Host必须连续发送CMD1，直到in-idle-state位置0，表示初始化完成，可以接收下一命令。
SD卡依靠时钟进行工作。
Host必须额外的8个时钟信号给卡完成操作，在此期间，忽略CS。
Host可以在卡忙状态时关闭时钟信号。
SD卡将去完成这个烧录操作，然而，Host必须提供一个时钟信号给SD卡来关闭“忙”信号。
写入/檫除超时是因为超过了：
1）设定时间的100倍，2）250mS。
所有命令的长度均为6字节，首先发MSB，其格式为：
当SPI模式遇到问题时，将用一个错误来回答（替代原来的数据块）。
5、主要命令
SPI下支持的命令类型如下标“+”所示【2】5.2.2。
各命令的意义如下【2】5.2.2.1。
如果一个命令不需要参数，则相应的为清0。
详见【2b】p12、p13。
在每个命令（除SEND_STATUS）之后，回应R1，其MSB为0，其余位置1则表示发生了相应的错误，如下图。
写入单块数据操作时序图：
写入多块数据操作时序图：
详见【2b】p5、p6。
上图所指的“数据应答”格式如下。
数据令牌（标记）【2b】p17及【2】5.2.4是读写操作时，用于识别数据块的标记。
对于单、多块的读取及单块的写入，数据标记为0xFEH。
对于多块的写入，在每块前的数据标记为11111100B=0xFCH。
当出现错误时，将用错误标记替代数据标记：
6、复位与初始化及读写操作
SD卡的初始化是非常重要的，只有进行了正确的初始化，才能进行后面的各项操作。
在初始化过程中，SPI的时钟不能太快，否则会造初始化失败。
在刚开始要先发送至少74个时钟信号，这是必须的。
在很多读者的实验中，很多是因为疏忽了这一点，而使初始化不成功【5】p6。
这74个时钟，在SD卡上电后发送，用于使电状态稳定。
CS为低电平时发送命令0，对卡进行复位。
再发送若干个8位时钟，直到卡回应0x01H，即表示，卡在接收命令0成功时对CS信号进行了采样，若CS信号为低电平，使卡进入SPI模式并且回应R1进入空闲状态（R1=0x01）。
随后CS拉高，再发送8个时钟，时序如下图。
由于命令0必须作为原生命令发送，CRC字段必须包含有效值。
卡一旦进入SPI模式，CRC功能就被关闭，不再进行CRC校验【6】p6及【7】p2（或p147）及【2】5.1.7。
在空闲状态，卡只接收命令0、命令1、命令41、命令58（读OCR）和命令59。
其它的命令被拒绝执行。
此时，可以读OCR寄存器并查看卡的工作电压。
若系统供电不在卡的正常供电范围，则卡不工作。
注意，所有的卡工作电压范围为2.7～3.6V。
当接收到命令1时，卡执行初始化过程。
若要检测初始化过程是否结束，主机需持续发送命令1并查看回应直到初始化结束。
当卡成功完成初始化，应答R1的空闲状态位将清零（R1由0x01变为0x00）。
再拉高CS、发送8个空时钟。
初始化过程将持续几百毫秒（卡容量越大，时间越长），故而需要考虑超时时间的设定。
在空闲状态位被清零后，卡可以接收正常的读写命令【6】p7及【7】p3（或148）。
CMD1命令的构成为0x01H|0x40H=0x41H，同理可求出其它命令【7】p3。
从图中可知，CMD1为4100000000FF。
单块的读操作时序图如下【7】p4。
单块的写操作时序图如下【7】p5。
上述图中的NCR、NAC、NWR表示SD卡的控制器完成操作的等待时间，其具体数据见【2b】5.1.9.2及【2】p106Table-1A-1，如下表。
其中的TAAC、NSAC位于CSD寄存器参数表Table3-10【2】3.5.3或p39的第3、4条目，属于SD卡的交流参数，其部分值见【2】41Table3-12，通过这些参数可以计算等待时间范围如ThetotalreadaccesstimeNAC等。
考虑CSD寄存器参数表Table3-10【2】3.5.3或p39的第24条目R2W_FACTOR可以计算读写时间范围，见【2】p106Table-1A-1
实际计算需要读取CSD的值，比较麻烦，主要以编程运行调试为主。
相应的编程详见【7】p7-end。
7、读写命令C编程
8、其它
9、补充
参考资料
【1】micro-SD卡-本卡物理尺寸.DOC
【2】（英文原文）SD卡的官方资料.pdf
【2a】（中文翻译部分）SD卡中文翻译.doc
【2b】（中文翻译部分）SD卡-SPI总线协议.pdf
【3】【3】MicroSD卡适配器（文件夹）
【4】SD卡详细资料.pdf
【5】SD卡在单片机上的应用以及SD卡引脚-电路图及工作原理介绍.doc
【6】SD卡编程指南.pdf
【7】51单片机读写SD卡.pdf
附录1
网站资料——CSD读取程序。
/**************************************************************************************
*FunctionName :
SD_GetCSDRegister（）
*Description :
CSD-寄存器。
寄存器长度为128，16字节
*EntryParameter:
csd寄存器
*ReturnValue :
返回操作状态：
成功-0
**************************************************************************************/
uint8SD_GetCSDRegister（SD_CSD*csd）
{
uint8i;
uint8csdTable[16];
uint8count=0xFF;
uint8rvalue=SD_RESPONSE_FAILURE; //返回值
SD_Enable（0）; //SD卡使能
if（SD_SendCmd（CMD9,0x00,0xFF）==SD_RESPONSE_NO_ERROR）
{
while（（SD_ReadByte（）!
=SD_START_SINGLE_BLOCK_READ）&&count） //等待数据接收开始，收到0xFE表示开始
{
count--; //等待超时
}
if（count!
=0x00）
{
for（i=0;i<16;i++）
{
csdTable[i]=SD_ReadByte（）;
}
}
SD_ReadByte（）; //读CRC
SD_ReadByte（）;
rvalue=SD_RESPONSE_NO_ERROR; //设置成功标志
}
SD_Enable
（1）; //清除SD卡片选
SD_WriteByte（0xFF）; //8个时钟脉冲的延迟
//把获取值放入CSD结构体中
csd->CSDStruct =（csdTable[0]&0xC0）>>6; //Byte0
csd->SysSpecVersion =（csdTable[0]&0x3C）>>2;
csd->Reserved1 =csdTable[0]&0x03;
csd->TAAC =csdTable[1]; //Byte1
csd->NSAC =csdTable[2]; //Byte2
csd->MaxBusClkFrec =csdTable[3]; //Byte3
csd->CardComdClasses =csdTable[4]<<4; //Byte4
csd->CardComdClasses |=（csdTable[5]&0xF0）>>4; //Byte5
csd->RdBlockLen =csdTable[5]&0x0F;
csd->PartBlockRead =（csdTable[6]&0x80）>>7; //Byte6
csd->WrBlockMisalign =（csdTable[6]&0x40）>>6;
csd->RdBlockMisalign =（csdTable[6]&0x20）>>5;
csd->DSRImpl =（csdTable[6]&0x10）>>4;
csd->Reserved2 =0;
csd->DeviceSize =（csdTable[6]&0x03）<<10;
csd->DeviceSize |=（csdTable[7]）<<2; //Byte7
csd->DeviceSize |=（csdTable[8]&0xC0）>>6; //Byte8
csd->MaxRdCurrentVDDMin =（csdTable[8]&0x38）>>3;
csd->MaxRdCurrentVDDMax =（csdTable[8]&0x07）;
csd->MaxWrCurrentVDDMin =（csdTable[9]&0xE0）>>5; //Byte9
csd->MaxWrCurrentVDDMax =（csdTable[9]&0x1C）>>2;
csd->DeviceSizeMul =（csdTable[9]&0x03）<<1;
csd->DeviceSizeMul |=（csdTable[10]&0x80）>>7; //Byte10
csd->EraseGrSize =（csdTable[10]&0x40）>>6;
csd->EraseGrMul =（csdTable[10]&0x3F）<<1;
csd->EraseGrMul |=（csdTable[11]&0x80）>>7; //Byte11
csd->WrProtectGrSize =（csdTable[11]&0x7F）;
csd->WrProtectGrEnable =（csdTable[12]&0x80）>>7; //Byte12
csd->ManDeflECC =（csdTable[12]&0x60）>>5;
csd->WrSpeedFact =（csdTable[12]&0x1C）>>2;
csd->MaxWrBlockLen =（csdTable[12]&0x03）<<2;
csd->MaxWrBlockLen |=（csdTable[13]&0xC0）>>6; //Byte13
csd->WriteBlockPaPartial=（csdTable[13]&0x20）>>5;
csd->Reserved3 =0;
csd->ContentProtectAppli=（csdTable[13]&0x01）;
csd->FileFormatGrouop =（csdTable[14]&0x80）>>7; //Byte14
csd->CopyFlag =（csdTable[14]&0x40）>>6;
csd->PermWrProtect =（csdTable[14]&0x20）>>5;
csd->TempWrProtect =（csdTable[14]&0x10）>>4;
csd->FileFormat =（csdTable[14]&0x0C）>>2;
csd->ECC =（csdTable[14]&0x03）;
csd->CSD_CRC =（csdTable[15]&0xFE）>>1; //Byte15
csd->Reserved4 =1;
returnrvalue;
}
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