SD卡中文学习笔记.docx
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SD卡中文学习笔记
SD卡操作
一、概述
1、简介
SD卡是基于flash的存储卡。
SD卡和MMC卡的区别在于初始化过程不同。
SD卡的通信协议包括SD和SPI两类。
SD卡使用卡内智能控制模块进行FLASH操作控制，包括协议、安全算法、数据存取、
ECC算法、缺陷处理和分析、电源管理、时钟管理。
2、功能介绍
2.1特点
1）主机无关的FLASH内存擦除和编程
读或写数据，主机只要发送一个带地址的命令，然后等待命令完成，主机无需关心具
体操作的完成。
当采用新型的FLASH时，主机代码无需更新。
2）缺陷管理
3）错误恢复
4）电源管理
Flash每个扇区有大约10万次的写寿命，读没有限制。
擦除操作可以加速写操作，因为在写之前会进行擦除。
3SD总线模式
3.1NegotiatingOperationConditions
当主机定义了SD卡不支持的电压范围时，SD卡将处于非活动状态，将忽略所有的总
线传输。
要退出非活动状态唯一的方法就是重新上电。
3.2SD卡获取和识别
SD卡总线采用的是单主多从结构，总线上所有卡共用时钟和电源线。
主机依次分别访
问每个卡，每个卡的CID寄存器中已预编程了一个唯一的卡标识号，用来区分不同的卡。
主机通过READ_CID命令读取CID寄存器。
CID寄存器在SD卡生产过程中的测试和
格式化时被编程，主机只能读取该号。
DAT3线上内置的上拉电阻用来侦测卡。
在数据传输时电阻断开（使用ACMD42）。
3.3卡状态
卡状态分别存放在下面两个区域：
卡状态（CardStatus），存放在一个32位状态寄存器，在卡响应主机命令时作为数据传
送给主机。
SD状态（SD_Status），当主机使用SD_STATUS（ACMD13）命令时，512位以一个数
据块的方式发送给主机。
SD_STATUS还包括了和BUS_WIDTH、安全相关位和扩展位等的
扩展状态位。
3.4内存组织
数据读写的基本单元是一个字节，可以按要求组织成不同的块。
Block:
块大小可以固定，也可以改变，允许的块大小是实际大小等信息存储在CSD寄
存器。
Sector:
和擦除命令相关，由几个块组成。
Sector的大小对每个设备是固定的，大小信息
存储在CSD寄存器。
WPGroup:
写保护单位。
大小包括几个group，写保护由一位决定，对每个设备大小是
固定的，存储在CSD寄存器。
3.5读写操作
SingleBlockMode:
主机根据事先定义的长度读写一个数据块。
由发送模块产生一个16
位的CRC校验码，接受端根据校验码进行检验。
读操作的块长度受设备sector大小（512
bytes）的限制，但是可以最小为一个字节。
不对齐的访问是不允许的，每个数据块必须位于
单个物理sector内。
写操作的大小必须为sector大小，起始地址必须与sector边界对齐。
MultipleBlockMode:
主机可以读写多个数据块（相同长度），根据命令中的地址读取或
写入连续的内存地址。
操作通过一个停止传输命令结束。
写操作必须地址对齐。
3.6数据传输速率
SD卡可以通过单数据线（DAT0）或四根数据线（DAT0-DAT3）进行数据传输。
单根
数据线传输最大传输速率为25Mbit/s，四根数据线最大传输速率为100Mbit/s。
3.7数据保护
每个sector的数据通过ErrorCorrectionCode（ECC）进行保护。
在写sector时生成ECC，
在读sector时检验ECC。
如果发现错误，在传输前进行纠正。
3.8数据擦除
SD卡数据擦除的最小单位是sector。
为了加速擦除操作，多个sector可以同时擦除。
为了方便选择，第一个指令包含起始地址，第二个指令包含结束地址，在地址范围内的所
有sector将被擦除。
3.9写保护
两种写保护方式可供选择，永久保护和临时保护，两种方式都可以通过PROGRAM_CSD指令进行设置。
永久保护位一旦设置将无法清除。
3.10拷贝位
通过CSD寄存器中的拷贝位（copybit）设置SD卡中的数据是原始数据还是拷贝数据。
拷贝位一旦设置，
将无法清除，在测试和格式化时使用。
3.11CSD寄存器
所有SD卡的配置信息存储在CSD寄存器。
通过SEND_CSD读取，PROGRAM_CSD修改。
4SPI模式
二、SD卡接口描述
1引脚和寄存器
主机通过9个引脚和SD卡相连
1.1SD模式引脚
扩展数据线（DAT1-DAT3）上电后为输入，SET_BUS_WIDTH命令执行后作为数据线。
即使只
有DAT0使用，所有数据线都和外部上拉电阻连接，否则DAT1&DAT2（如果未被使用）
的振荡输入将引起非期望的高电流损耗。
上电后，数据线输入50K（+/-20K）欧姆的上拉（用来进行卡侦测和SPI模式选择）。
用
户可以在常规数据传输时，通过SET_CLR_CARD_DETECT（ACMD42）命令分离上拉。
1.2SPI模式引脚
1.3寄存器
主机通过重新上电来重置（reset）卡。
卡有它自身检测上电的电路，当上电后卡状态切换到idle状态。
也可以通过GO_IDLE（CMD0）指令来重置。
2SD卡总线拓扑
SD总线有6根通信线和三根电源供应线：
✧
✧
✧
✧
✧
CMD——命令线是双向信号线。
主机和卡通过pushpull模式工作。
DAT0-3——数据线是双向信号线。
主机和卡通过pushpull模式工作。
CLK——时钟是从主机到卡的信号。
CLK通过pushpull模式操作。
VDD—VDD是所有卡的电源供应线。
VSS[1:
2]—VSS是2根地线。
名称
宽度
描述
CID
128
卡标识号
RCA
16
相对卡地址（Relativecardaddress）:
本地系统中卡的地址，动
态变化，在主机初始化的时候确定
*SPI模式中没有
CSD
128
卡描述数据:
卡操作条件相关的信息数据
SCR
64
SD配置寄存器:
SD卡特定信息数据
OCR
32
操作条件寄存器
在初始化的时候，向每个卡分别发送命令，允许应用检测卡并给物理槽（physicalslot）
分配逻辑地址。
数据通常分别传输给每个卡。
然后，为了方便处理卡堆栈，初始化后所有
命令同时发送给所有卡，在命令数据包中包含了操作地址。
SD总线允许动态配置数据线数目。
上电后默认SD卡只用DAT0作为数据传输线。
初始
化后，主机可以改变总线宽度。
这个特性使得在硬件开销和系统性能间取得平衡。
3SPI总线拓扑
4电气接口
4.1上电
上电后，包括热插入，卡进入idle状态。
在该状态SD卡忽略所有总线操作直到接收到
ACMD41命令。
ACMD41命令是一个特殊的同步命令，用来协商操作电压范围，并轮询所
有的卡。
除了操作电压信息，ACMD41的响应还包括一个忙标志，表明卡还在power-up过
程工作，还没有准备好识别操作，即告诉主机卡还没有就绪。
主机等待（继续轮询）直到忙标
志清除。
单个卡的最大上电时间不能操作1秒。
上电后，主机开始时钟并在CMD线上发送初始化序列，初始化序列由连续的逻辑“1”
组成。
序列长度为最大1毫秒，74个时钟或supply-ramp-up时间。
额外的10个时钟（64个
时钟后卡已准备就绪）用来实现同步。
每个总线控制器必须能执行ACMD41和CMD1。
CMD1要求MMC卡发送操作条件。
在任何情况下，ACMD41或CMD1必须通过各自的CMD线分别发送给每个卡。
5寄存器
5.1OCR（OperatingConditionsRegister）
32位的操作条件寄存器存储了VDD电压范围。
SD卡操作电压范围为2~3.6V。
然而从
内存中访问数据的电压是2.7~3.6V。
OCR显示了卡数据访问电压范围，结构如下表所示。
表3-8OCR寄存器定义
OCR位
VDD电压范围
0-3
保留
4
1.6~1.7
5
1.7~1.8
6
1.8~1.9
7
1.9~2.0
8
2.0~2.1
9
2.1~2.2
10
2.2~2.3
11
2.3~2.4
12
2.4~2.5
13
2.5~2.6
14
2.6~2.7
15
2.7~1.8
16
2.8~2.9
17
2.9~3.0
18
3.0~3.1
19
3.1~3.2
20
3.2~3.3
21
3.3~3.4
OCR结构如下图所示。
如果第32位（busybit）置位，表明卡上电过程已结束。
5.2CID（CardIdentification）
CID寄存器长度为16个字节的卡唯一标识号，该号在卡生产厂家编程后无法修改。
SD
和MMC卡的CID寄存器结构不一样。
名称
类型
宽
度
CID位
内容
CID值
厂商ID
Binary
8
[127:
120]
SD卡协会管理和分配
0x03
OEM/Application
ID（OID）
ASCII
16
[119:
104]
识别卡的OEM或卡内容，由制
造商分配
0x53,0x44
产品名（PNM）
ASCII
40
[103:
64]
5个ASCII字符
SD128
产品版本（PRV）
BCD
8
[65:
56]
2个二进制编码的十进制数
产品版本
1
（30）
序列号（PSN）
Binary
32
[55:
24]
32位无符号整数
产品序列号
保留
4
[23:
20]
生成日期（MDT）
BCD
12
[19:
8]
yym（从2000年的偏移量）
如:
Apr
2001=0x014
22
3.4~3.5
23
3.5~3.6
24-30
保留
31
卡上电状态位（忙）
1、格式为“n.m”，如“6.2”表示为01100010
5.3CSD（CardSpecificData）
CSD寄存器包含访问卡数据所需的配置信息。
SD卡和MMC卡的CSD不同。
6数据交互格式和卡容量
通常，SD卡分为2个区：
✧用户区—用户通过读写命令存储安全和非安全数据。
✧安全保护区（SecurityProtectedArea）—版权保护应用程序用来保存安全相关数据，通
过SD安全规范中定义的条件验证后，由主机使用安全的读写指令完成操作。
安全保护
区的大小大概是总大小的1%。
CRC7校验和
（CRC）
Binary
7
[7:
1]
CRCCalculation:
G（x）=x7+3+1
M（x）=（MID-MSB）*x119+...+（CIN-LSB）*x0
CRC[6...0]=Remainder[（M（x）*x7）/G（x）]
CRC7
未用
1
[0:
0]
三、SD卡协议
1SD总线协议
SD总线通信是基于命令和数据位流方式的，由一个起始位开始，以一个停止位结束：
命令——命令是开始开始操作的标记。
命令从主机发送一个卡（寻址命令）或所有连
接的卡（广播命令）。
命令在CMD线上串行传送。
响应——响应是从寻址卡或所有连接的卡（同步）发送给主机用来响应接受到的命令
的标记。
命令在CMD线上串行传送。
数据——数据可以通过数据线在卡和主机间双向传送。
卡寻址通过会话地址方式实现，地址在初始化的时候分配给卡。
SD总线上的基本操作
是command/response。
数据传送采用块方式，数据块后接CRC校验位，操作包括单数据块和多数据块。
多数据
块更适合快速写操作，多数据块传输当在CMD线出现停止命令时结束。
数据传输可以在主
机端设置采用单数据线或多数据线方式。
块写操作在DAT0数据线写操作期间使用忙信号，无论用来传输的信号线数目是多少。
命令格式如下所示：
响应标记（token）根据内容不同具有四种格式，标记长度。
长度为48位或136位。
数
据块的CRC算法采用16位的CCITT多项式。
在命令行中，MSB位首先传送，LSB位最后传送。
当使用宽总线模式时，数据同时在4根数据线上传输。
开始位、结束位和CRC在每根数
据线上传送。
CRC对每根数据线单独计算。
CRC状态响应和Busy信号只通过DAT0由卡发送给
主机。
2协议功能描述
所有主机和SD卡间的通信由主机控制。
主机发送下述两类命令：
●
●
广播命令——广播命令发送给所有SD卡，有些命令需要响应。
寻址（点对点）命令——寻址命令只发送给具有相应地址的卡，并需要从卡返回一个响应。
对卡而言也有两类操作：
●
●
卡识别模式——在重置（reset）后当主机查找总线上的新卡时，处于卡识别模式。
重置后
SD卡将始终处于该模式，直到收到SEND_RCA命令（CMD3）。
数据传输模式——一旦卡的REC发布后，将进入数据传输模式。
主机一旦识别了所有总线
上的卡后，将进入数据传输模式。
操作模式与卡状态关系：
3卡识别模式
在卡识别模式，主机重置所有处于卡识别模式的SD卡，检验操作电压范围，识别卡并
请求卡发送相对卡地址RCA。
操作对每个卡在各自的CMD线上单独进行，所有的数据传
送只使用CMD线。
3.1重置
GO_IDLE_STATE（CMD0）是软件重置命令，设置每个SD卡进入Idle状态。
处于Inactive
状态的卡不受此命令影响。
主机上电后，所有SD卡进入Idle状态，包括处于Inactive状态的卡。
至少74个时钟
周期后才能开始总线传输。
上电或CMD0后，所有SD卡的命令线处于输入模式，等待下一个命令的起始位。
卡
通过一个默认的相对卡地址RCA（RCA=0x0000）和默认驱动寄存器设置（最低速，最高
驱动电流）初始化。
3.2操作电压范围验证
SD的物理规范标准要求所有SD卡能通过最小和最大供电电压间的任何电压和主机建
立通信。
然而，数据传输时的最小和最大电压值在操作条件寄存器OCR中定义，可能并不
能覆盖所有的电压范围。
SD卡主机希望通过读取卡的OCR寄存器获取合适的电压值或弹
出卡。
SD卡
3.3卡识别过程
在识别时钟速率fOD下主机开始卡识别过程。
SD卡的CMD线输出驱动是push-pull
驱动。
总线激活后，主机要求卡发送它们的有效操作条件（ACMD41precedingwithAPP_CMD
—CMD55withRCA=0x000
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