Overview

深入理解SD卡系列文章將介紹SD卡，涉及SD卡的協(xié)議及驅(qū)動(dòng)代碼。我們學(xué)習(xí)SD卡目的是為了理解SD卡的驅(qū)動(dòng)代碼，修改它，最終解決工作中遇到的SD卡相關(guān)的問題。本系列文章的目標(biāo)是理解SD，包括協(xié)議和驅(qū)動(dòng)代碼。在學(xué)習(xí)任何設(shè)備驅(qū)動(dòng)時(shí)，有個(gè)東西我們是無(wú)法繞過的，那就是協(xié)議，本文講的就是SD卡的協(xié)議。

學(xué)習(xí)SD卡協(xié)議，可以讓我們更好的了解SD卡的運(yùn)作機(jī)制。在最開始學(xué)習(xí)SD卡的時(shí)候，我們只需要對(duì)SD卡的協(xié)議有個(gè)大概了解，能基本滿足我們看懂SD卡驅(qū)動(dòng)代碼就行。如果之后在閱讀SD卡驅(qū)動(dòng)代碼有不理解的地方，可以回過頭來(lái)翻翻SD協(xié)議文檔。建議在讀SD驅(qū)動(dòng)源碼和學(xué)習(xí)SD卡協(xié)議之間交替進(jìn)行，互相驗(yàn)證。

關(guān)于SD卡，有個(gè)叫SD卡協(xié)會(huì)的組織，這個(gè)組織規(guī)定了各種涉及SD卡的協(xié)議，并發(fā)布協(xié)議文檔。這些SD卡協(xié)議文檔，最重要的有兩種文檔：SD Specifications Part 1 Physical Layer Simplified Specification 和SD Specifications Part A2 SD Host Controller Simplified Specification。

個(gè)人理解，定協(xié)議的目的就是為了使某個(gè)事物標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化后，可以方便大家協(xié)作，簡(jiǎn)化工作量，提高效率，避免重復(fù)工作導(dǎo)致的浪費(fèi)。Physical Layer Simplified Specification（以下簡(jiǎn)稱：卡協(xié)議）規(guī)定了SD卡的物理規(guī)格和SD卡使用的命令協(xié)議，像Sandisk、Kingston這類SD卡制造商必須遵守該協(xié)議。假設(shè)Sandisk開發(fā)了一款SD卡沒有遵循該協(xié)議，而是自己內(nèi)部新搞了一套協(xié)議，這樣市面上就沒有設(shè)備能使用該款SD卡。除非有人專門開發(fā)一個(gè)驅(qū)動(dòng)去適配該款SD卡，但是這樣很浪費(fèi)人力。如果每個(gè)SD卡廠商都使用自己的協(xié)議，那么每支持一款SD卡，都需要重新寫一套代碼去適配它，那這工作量就很恐怖了。

類似的，SD Host Controller Simplified Specification（以下簡(jiǎn)稱：主機(jī)協(xié)議）用來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化SD主機(jī)控制器，針對(duì)的是SD卡主機(jī)控制器廠商。這個(gè)協(xié)議不是強(qiáng)制的，在我們閱讀SD驅(qū)動(dòng)代碼的時(shí)候，如果涉及到SD卡主機(jī)控制的代碼，我們可能需要翻一下這篇文檔，或者查閱SD卡主機(jī)控制器廠商提供給我們的文檔（一般都是各大cpu芯片廠商提供給我們開發(fā)者文檔）。

本文的講解的是卡協(xié)議，接下來(lái)，會(huì)有一些的英文夾雜在中文里面，因?yàn)橛行┟~，還是原汁原味的好，我翻譯出來(lái)，沒了那種韻味，水平有限，望大家諒解。

System Features

本大章節(jié)講解SD的一些基本特征，包括SD卡的物理規(guī)格、容量、速度等方面。

Form-factor

目前市面上按物理規(guī)格來(lái)看，常見的SD卡有三種：

• 標(biāo)準(zhǔn)的SD卡，這種卡比較大，在有些相機(jī)或者PC電腦上會(huì)使用；
• 第二種是miniSD，這種卡我沒怎么使用，不作詳述；
• 最后一種是叫TF卡，也稱mirco SD，這種卡比較小，是我們最常接觸的，像我們的手機(jī)里面使用的就是這種卡。很多人基本上都管我們手機(jī)使用的那種卡叫SD卡，這樣的叫法實(shí)際上不夠準(zhǔn)確，更準(zhǔn)確應(yīng)該是叫TF卡，但是不管怎樣，都沒人會(huì)去計(jì)較，能理解就行。

本文中，如果我說SD卡，都是泛指這三類SD卡，除非特意說明。并且如果特指，我會(huì)使用標(biāo)準(zhǔn)SD卡或者TF卡等名稱代替。

Capacity of Memory

SD卡按容量(Capacity)分類，可以分為標(biāo)準(zhǔn)容量卡、高容量卡，擴(kuò)展容量卡，詳細(xì)如下：

1. Standard Capacity SD Memory Card (SDSC): 這種卡容量小于等于2GB
2. High Capacity SD Memory Card (SDHC): 這種卡容量大于2GB，小于等于32GB
3. Extended Capacity SD Memory Card (SDXC)：這種卡容量大于32GB， 小于等于2TB

如果你買了一張16G或者32G的SD卡，你會(huì)發(fā)現(xiàn)SD卡上面印有"HC"字樣，代表該卡是SDHC卡，同理，64G的SD卡上面印著"XC"，表示SDXC卡。

Voltage range

SD卡按供電范圍劃分，分兩種：

1. High Voltage SD Memory Card: 操作的電壓范圍在2.7-3.6V
2. UHS-II SD Memory Card： 操作的電壓范圍VDD1: 2.7-3.6V, VDD2: 1.70-1.95V

UHS-II類型的卡參考協(xié)議文檔： SD Specifications Part 1 UHS-II Simplified Addendum

Bus Speed Mode (using 4 parallel data lines)

SD卡按總線速度模式來(lái)分，有下面幾種：

1. Default Speed mode: 3.3V供電模式，頻率上限25MHz，速度上限 12.5MB/sec
2. High Speed mode: 3.3V供電模式，頻率上限50MHz，速度上限 25MB/sec
3. SDR12： UHS-I卡， 1.8V供電模式，頻率上限25MHz，速度上限 12.5MB/sec
4. SDR25： UHS-I卡， 1.8V供電模式，頻率上限50MHz，速度上限 25MB/sec
5. SDR50： UHS-I卡， 1.8V供電模式，頻率上限100MHz，速度上限 50MB/sec
6. SDR104： UHS-I卡， 1.8V供電模式，頻率上限208MHz，速度上限 104MB/sec
7. DDR50： UHS-I卡， 1.8V供電模式，頻率上限50MHz，性能上限 50MB/sec
8. UHS156： UHS-II RCLK Frequency Range 26MHz - 52MHz, up to 1.56Gbps per lane.

SDR(Single Date Rate), 一個(gè)周期只能采集一次數(shù)據(jù)，即一個(gè)bit，由于SD卡是4條數(shù)據(jù)線并行傳輸，所以一個(gè)周期能傳輸4bit，如果頻率是50MHz（即1秒傳輸次數(shù)為50 000 000），那么1秒能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為25MB（這里1MB為1 000 000 Byte)。所以這就是為什么各種SDR模式里面，頻率上限是速度上限的兩倍。而對(duì)于DDR(Double Data Rate)，在時(shí)鐘上升沿和下降沿都可以采集數(shù)據(jù)，也就是單一周期內(nèi)可讀取或?qū)懭?次，因此4條并行數(shù)據(jù)線在一個(gè)周期內(nèi)能傳輸8bit。

Speed Class

SD卡按照讀寫性能劃分，有5種規(guī)格，每種規(guī)格后面的數(shù)字象征最小的讀寫速度：

• Class 0 - 這種卡沒有性能要求
• Class 2 - 要求在 Default Speed mode 下，性能至少要達(dá)到（大于等于） 2MB/sec
• Class 4 - 要求在 Default Speed mode 下，性能至少要達(dá)到 4MB/sec
• Class 6 - 要求在 Default Speed mode 下，性能至少要達(dá)到 6MB/sec
• Class 10 - 要求在 High Speed mode 下，性能至少要達(dá)到 10MB/sec

廠商賣的SD卡上面基本上都會(huì)印著一個(gè)用圓圈包圍起來(lái)的數(shù)字10，表示該卡是Class 10 類型的卡。

Bus Protocol

在SD Bus上，有三種transaction：

• Command: 一個(gè)命令代表著將開始一個(gè)操作。命令通過CMD線傳輸，方向從host到card。
• Response: 響應(yīng)是card對(duì)前一次host發(fā)送的命令的執(zhí)行情況的反饋。也是通過CMD線傳輸，方向從card到host。
• Data: 數(shù)據(jù)是通過4條data線傳輸?shù)?，方向可以從card到host，也可以從host到card。

不管Command，還是Response或者Data，都開始于一個(gè)start bit （bit值0），結(jié)束于一個(gè)end bit（bit值1）。

關(guān)于這塊的內(nèi)容不做過多解釋了，詳情自行閱讀"Physical Layer Simplified Specification Version 4.10"文檔 "3.6 Bus Protocl" 章節(jié)的內(nèi)容。

Registers

下圖是SD卡的體系架構(gòu)，可以看到內(nèi)部包含了一系列的寄存器：

<div style="text-align:center" markdown="1">

SD Memory Card Architecture

</div>

各個(gè)寄存器的詳細(xì)信息如下：

SD Memory Card Registers

OCR register

OCR寄存器保存著SD卡的工作電壓范圍。如果OCR寄存器的某位為1，表示卡支持該位對(duì)應(yīng)的電壓。最后一位表示卡上電后的狀態(tài)(是否處于”忙狀態(tài)”)，如果該位為0，表示忙，如果為1，表示處于空閑狀態(tài)。

OCR Register Definition

CID register

CID是一個(gè)128 bits的寄存器，該寄存器包含一個(gè)卡的標(biāo)識(shí)信息。

The CID Fields

CSD Register

卡的描述數(shù)據(jù)寄存器（CSD）包含了訪問該卡數(shù)據(jù)時(shí)的必要配置信息，比如the data format, error correction type, maximum data access time, device size 等等。

The CSD Register Fields (CSD Version 2.0)

RCA register

卡的相對(duì)地址,該16位卡地址寄存器保存了卡在識(shí)別過程中發(fā)布的地址。該地址用于在主機(jī)識(shí)別卡后，利用該地址與卡進(jìn)行通信。該寄存器只有在SD模式下才有效。

SCR register

SD配置寄存器提供SD卡的特殊特性信息，其大小為64位。該寄存器由廠商編程，主機(jī)不能對(duì)它進(jìn)行編程。

The SCR Fields

UHS

UHS（Ultra High Speed）是與SDXC同時(shí)推出的SD卡總線標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)適用于SDHC和SDXC。

UHS-I最高傳輸速度（理論值）為104MB/s。英文字母I代表該設(shè)備（SD卡或讀卡器）支持UHS-I接口。英文字母U，包含數(shù)目字1，代表該設(shè)備讀寫速度達(dá)U1。

UHS-II最高傳輸速度達(dá)312MB/s，是UHS-I的三倍。

設(shè)備（如智能手機(jī)）必須支持UHS，才能保證達(dá)到U1或U3最低寫入速度。

下面介紹UHS-I初始化的命令序列流程。

Command Sequence to Use UHS-I

• 上電后，卡會(huì)處于3.3V signaling模式下。第一個(gè)CMD0命令會(huì)選擇bus模式：SD模式或者SPI模式。只有在SD模式下，才能進(jìn)入1.8V signaling模式。一旦卡進(jìn)入1.8V signal模式，卡不能切換到SPI模式或者3.3V signal模式，除非重新上電。
• 收到CMD0命令后，卡將進(jìn)入空閑狀態(tài)（Idle state），但是仍然工作在SDR12時(shí)序下。UHS-I只提供了SD模式，沒有提供SPI模式。
• 由于更高的總線速度需要低水平的signaling，對(duì)SDR50、DDR50和SDR104模式，UHS-I提供的signaling為1.8V。host會(huì)給卡提供3.3V的電壓，并且提供1.8V signaling水平的電壓給SDCLK、CMD和DAT[3:0]線，這幾個(gè)都是從3.3V的電源線轉(zhuǎn)換過來(lái)的。為了避免主機(jī)與卡之間的電壓不匹配，signaling水平在初始化時(shí)的電壓轉(zhuǎn)換序列中就已經(jīng)被改變了。主機(jī)和卡通過ACMD41命令來(lái)確認(rèn)雙方是否支持1.8V signaling模式。如果主機(jī)和卡都支持1.8V signaling模式，這就意味著UHS-I卡可用。
• UHS-I只能使用4-bit的bus模式，CMD42是個(gè)例外。如果卡被鎖住了，就需要通過發(fā)送CMD42命令（1-bit模式）解鎖，然后發(fā)送ACMD6命令將bus模式切換到4-bit。
• 在卡解鎖的情況下，CMD19命令執(zhí)行在1.8V signaling的傳輸狀態(tài)。其他情況，CMD19都會(huì)被當(dāng)做非法命令。

SD Memory Card Functional Description

對(duì)SD卡與主機(jī)(host)來(lái)說，有兩種操作模式：

• Card identification mode: 對(duì)卡reset重置后，主機(jī)進(jìn)入卡識(shí)別模式，對(duì)卡來(lái)說，在reset后，除非收到CMD3命令，否則卡一直處于該模式下。
• Data transfer mode: 當(dāng)卡第一次發(fā)布它的RCA后，該卡將處于數(shù)據(jù)傳輸模式。而對(duì)主機(jī)來(lái)說，在它識(shí)別了bus線上的所有卡后，進(jìn)入該模式。

Card identification mode

Operating Condition Validation

SD卡識(shí)別模式流程圖如下：

SD Memory Card State Diagram (card identification mode)

1. 在主機(jī)與卡通信之前，主機(jī)不清楚卡支持的電壓范圍，并且卡也不知道是否支持主機(jī)提供的供電電壓。主機(jī)會(huì)以默認(rèn)電壓發(fā)送一個(gè)reset指令(CMD0),并且主機(jī)默認(rèn)卡能支持該命令。然后，為了確認(rèn)電壓，主機(jī)接下來(lái)會(huì)發(fā)送一個(gè)CMD8命令。

2. 為了驗(yàn)證SD卡接口的操作條件，主機(jī)通過發(fā)送SEND_IF_COND (CMD8)命令，去獲取SD卡支持的工作電壓范圍。SD卡通過檢測(cè)CMD8的參數(shù)部分來(lái)檢查主機(jī)使用的工作電壓，主機(jī)通過分析卡CMD8的response參數(shù)來(lái)確認(rèn)SD卡是否可以在所給電壓下工作，如果SD卡可以在指定電壓下工作，則它的response里面會(huì)包含cmd8參數(shù)里面提供的電壓 。如果不支持所給電壓，則SD卡不會(huì)給出任何響應(yīng)信息，并繼續(xù)處于IDLE狀態(tài)。如果要初始化SDHC和SDXC，在第一次發(fā)送ACMD41命令前，必須先發(fā)送CMD8。

3. SD_SEND_OP_COND (ACMD41)命令來(lái)識(shí)別或者拒絕不匹配host主機(jī)供電電壓范圍的卡。如果SD卡在主機(jī)規(guī)定的電壓范圍內(nèi)不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，卡將放棄下一步的總線操作而進(jìn)入不活動(dòng)狀態(tài)(Inactive State)。

4. 主機(jī)發(fā)送ACMD41命令時(shí)，可以通過將該命令所帶的OCR參數(shù)設(shè)置為0，用來(lái)查詢卡支持的工作電壓范圍。當(dāng)ACMD41被用于查詢時(shí)，卡將忽略掉ACMD41里面的HCS參數(shù)。主機(jī)在查詢到卡的工作電壓后，也許會(huì)將該電壓作為接下來(lái)發(fā)送的ACMD41命令的參數(shù)。

5. 在整個(gè)初始化過程中，主機(jī)不允許改變正在操作的電壓范圍。

Card Initialization and Identification Process

Card Initialization and Identification Flow (SD mode)

1. 當(dāng)總線被激合后，主機(jī)就開始處理卡的初始化和識(shí)別。在主機(jī)發(fā)送SD_SEND_OP_COND(ACMD41)命令開始處理SD卡初始化時(shí)，主機(jī)會(huì)在ACMD41的參數(shù)中設(shè)置它的操作條件和設(shè)置OCR中的HCS位。HCS位被設(shè)置為1表示主機(jī)支持SDHC或者SDXC。HCS被設(shè)置為0表示主機(jī)不支持SDHC和SDXC。

2. 卡利用OCR里面的busy位來(lái)通知主機(jī)ACMD41的初始化已經(jīng)完成。如果busy位為0，表示卡還在初始化，如果busy位為1，說明初始化已經(jīng)完成。主機(jī)會(huì)在1s的時(shí)間內(nèi)，重復(fù)不斷地發(fā)送ACMD41命令，直到busy位被置1為止?？ㄖ挥性诘谝淮问盏皆O(shè)置電壓的ACMD41命令時(shí)，才會(huì)去檢查操作條件和OCR中的HCS位。并且在重復(fù)發(fā)送ACMD41命令的這段時(shí)間里，主機(jī)不應(yīng)該發(fā)送任何命令，除了CMD0。

3. 如果卡能正確響應(yīng)CMD8，之后，卡對(duì)ACMD41命令的響應(yīng)會(huì)包含一個(gè)CCS字段，CCS在卡返回ready時(shí)（busy位置1）有效。CCS=0表示卡是SDSC，CCS=1表示卡是SDHC或者SDXC。

4. 在ACMD41之后，主機(jī)會(huì)發(fā)送 ALL_SEND_CID (CMD2)，獲取卡的CID。在卡發(fā)送它的CID之后，卡進(jìn)入識(shí)別狀態(tài)（Identification State）。

5. 接著，主機(jī)發(fā)送CMD3 (SEND_RELATIVE_ADDR)，請(qǐng)求卡發(fā)布卡的RCA。RCA是一個(gè)比CID短的，并且將來(lái)在數(shù)據(jù)傳輸模式中使用的地址。

Data Transfer Mode

因?yàn)橐恍┛ㄔ谧R(shí)別模式（Identification Mode）下，對(duì)操作頻率有限制，所以在識(shí)別模式結(jié)束前，主機(jī)的頻率需要一直保持在 fOD。在數(shù)據(jù)傳輸模式（Data Transfer Mode），主機(jī)頻率在fpp范圍內(nèi)是可執(zhí)行的。

主機(jī)必須發(fā)送SEND_CSD(CMD9)來(lái)獲得卡規(guī)格數(shù)據(jù)寄存器(CSD)內(nèi)容，獲取像塊大小、卡容量這類信息。

SET_DSR(CMD4)廣播命令配置所有識(shí)別到的卡的驅(qū)動(dòng)階段。它對(duì)DSR寄存器進(jìn)行編程以適應(yīng)應(yīng)用的總線布局（長(zhǎng)度）、總線上卡的數(shù)目和數(shù)據(jù)傳輸頻率。clock rate也是在這個(gè)時(shí)候從fOD切到fpp。對(duì)卡和主機(jī)來(lái)說，SET_DSR(CMD4)命令是個(gè)可選。

CMD7用于選擇卡，并且將卡帶入傳輸狀態(tài)(Transfer State)。在同一個(gè)時(shí)間內(nèi)，只有一張卡能進(jìn)入傳輸狀態(tài)。當(dāng)發(fā)送的CMD7的RCA地址參數(shù)為"0x0000"，所有卡將跳回到準(zhǔn)備狀態(tài)（Stand-by State ）。

SD卡數(shù)據(jù)傳輸模式的流程圖如下：

SD Memory Card State Diagram (data transfer mode)

對(duì)已經(jīng)擁有RCA的卡來(lái)說，對(duì)它發(fā)送identification commands（比如ACMD41、CMD2），它將不會(huì)有任何回應(yīng)。在數(shù)據(jù)傳輸模式下，主機(jī)與被選中的卡（使用定向命令）之間的數(shù)據(jù)傳輸都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的。通過cmd線，所有定向命令（addressed commands）都會(huì)收到一個(gè)用于確認(rèn)的response。

下面是數(shù)據(jù)傳輸模式下關(guān)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊恍┛偨Y(jié)：

• 在任何時(shí)候，所有的讀命令集在執(zhí)行過程中都可以被stop command (CMD12)打斷。cmd12命令將會(huì)使數(shù)據(jù)傳輸終止，并且使卡退回到傳輸狀態(tài)（Transfer State）。讀命令集包括：block read(CMD17), multiple block read(CMD18), send write protect(CMD30), send SCR(ACMD51) 和 general command in read mode (CMD56)。
• 在任何時(shí)候，所有的寫命令集在執(zhí)行過程中都可以被stop command (CMD12)打斷。寫命令集包括： block write(CMD24 and CMD25), program CSD(CMD27), lock/unlock command(CMD42)和general command in write mode(CMD56)。
• 一旦數(shù)據(jù)傳輸完成，卡就會(huì)退出數(shù)據(jù)寫狀態(tài)，并且進(jìn)入正在編程狀態(tài)（Programming State）（傳輸成功），或者進(jìn)入傳輸狀態(tài)（傳輸失?。?。
• 如果一個(gè)塊寫操作被打斷，但是最后一個(gè)block的塊長(zhǎng)度和CRC有效的話，這塊數(shù)據(jù)也將會(huì)被編程到卡里。
• 卡也許會(huì)對(duì)塊寫操作提供緩存，這意味著，在一個(gè)block還在被編程的情況下，下一個(gè)block可以被發(fā)送這個(gè)卡里面。如果所有的寫緩存都已經(jīng)滿了的話，只要卡還在正在編程狀態(tài)，DAT0線就會(huì)一直保持在拉低狀態(tài)。
• 對(duì)寫CSD、寫保護(hù)和擦除操作來(lái)說，卡不會(huì)提供緩存。這意味著，在卡正忙于處理這其中任何一個(gè)命令時(shí)，卡不會(huì)接收任何發(fā)送到卡的數(shù)據(jù)。只要卡還在忙，DAT0線就會(huì)拉低，并且處于正在編程狀態(tài)（Programming State）。
• 當(dāng)卡正在編程時(shí)，不允許任何一個(gè)參數(shù)設(shè)置命令集（Parameter set commands）。參數(shù)設(shè)置命令集包括： set block length(CMD16), erase block start(CMD32)和erase block end(CMD33)。
• 當(dāng)卡正在編程時(shí)，不允許任何一個(gè)讀命令集。
• 當(dāng)將其他的卡從準(zhǔn)備狀態(tài)（Stand-by）切換到傳輸狀態(tài)（使用CMD7），不會(huì)中斷當(dāng)前卡的擦除或者編程操作。當(dāng)前卡將會(huì)切換到斷開狀態(tài)（Disconnect State），并且釋放數(shù)據(jù)線。
• 當(dāng)卡正在編程或者待編程時(shí)，對(duì)其重置（發(fā)送CMD0或者CMD15），將會(huì)導(dǎo)致操作終止，并且可能會(huì)導(dǎo)致卡內(nèi)的數(shù)據(jù)內(nèi)容被破壞。因此主機(jī)有責(zé)任去禁止這樣的操作。

至此，本文關(guān)于SD卡協(xié)議的內(nèi)容就介紹到這里。通過本文，可以對(duì)SD卡有個(gè)大概的了解，尤其是關(guān)于SD卡初始化這段內(nèi)容。就SD卡協(xié)議這方面來(lái)說，了解一些基本的東西就行。在我們今后在遇到SD問題時(shí)需要時(shí)，可以翻出來(lái)看一下。水平有限，有些地方可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，望各位能指出來(lái)，希望能和各位共同探討技術(shù)方面的內(nèi)容。