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（512bytes）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

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

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。

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

22

3.4~3.5

23

3.5~3.6

24-30

保留

31

卡上电状态位（忙）

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/ApplicationID（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（30）1

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:

Apr2001=0x014

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]

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%。

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=0x0000）。

ACMD41命令的响应是卡的操作条件寄存器。

相同的命令将发送给系统中所有的卡。

不兼容的卡将进入Inactive状态。

主机然后发送命令ALL_SEND_CID（CMD2）到每个卡以获取每个卡的唯一标识CID号。

未识别的卡通过CMD线发送CID号作为响应。

当卡发送CID号后，进入识别状态（IdentificationState）。

此后，主机发送CMD3（SEND_RELATIVE_ADDR）要求卡发布一个新的相对卡地址RCA，地址比CID短，在以后的数据传输模式中用来寻址卡。

一旦获得RCA后，卡状态变成就绪状态（Stand-bystate）。

此时，如果主机要求卡换成其他的RCA号，可以通过发送另一个SEND_RELATIVE_ADDR命令给卡，要求发布一个新的RCA，最后发布的RCA是实际使用的RCA。

主机对系统中的每个卡重复识别过程。

所有的SD卡初始化完以后，系统将开始初始化MMC卡（如果有的话），使用MMC卡的CMD2和CMD3。

4数据传输模式

直到主机知道所有CSD寄存器的内容，fpp时钟速率必须保持在fOD,因为一些卡有操作频率限制。

主机发送SEND_CSD（CMD9）获取卡定义数据（CardSpecificData，CSD寄存器），如块大小、卡存储容量、最大时钟速率等。

CMD7用来选择一个卡并将它置于传输状态（Transferstate），在任何时间只能有一个卡处于传输状态。

如果已有一个卡处于传输状态，它和主机的连接将释放，并返回到Stand-by状态。

当CMD7以保留相对地址“0x0000”发送时，所有卡将返回到Stand-by状态。

这可以用来识别新的卡而不重置其他已注册的卡。

在这种状态下已有一个RCA地址的卡不响应识别命令（ACMD41,CMD2,CMD3）。

注意：

当卡接收到一个带有不匹配RCA的CMD7时，卡将取消选中。

在公用CMD线时，选中一个卡时将自动不选中其他卡。

因此，在SD卡系统中，主机具有如下功能：

●初始化完成后，在公用CMD线时，不选中卡是自动完成的。

●如果使用单独的CMD线，需要关注不选中卡的操作

在主机和选择的SD卡之间的所有数据通信是点对点的方式。

所有寻址命令都需要响应。

不同数据传输模式的关系如图4-8所示，使用如下步骤：

●所有读数据命令可以在任何时候通过停止命令（stopcommand,CMD12）中止。

数据传输将中止，卡回到传输状态（TransferState）。

读命令有：

块读命令（CMD17），多块读命令（CMD18），发送读保护（CMD30），发送scr（ACMD51），以及读模式的通用命令（CMD56）。

●所有写数据命令可以在任何时候通过停止命令（stopcommand,CMD12）中止。

在不选中卡命令CMD7前写命令必须停止。

写命令有：

块写命令（CMD24andCMD25）,写CID（CMD26）,写CSD（CMD27）,lock/unlock命令（CMD42）以及写模式通用命令（CMD56）。

●一旦数据传输完成，卡将退出数据写状态并进入ProgrammingState（传输成功）或TransferState（传输失败）。

●如果一个快写操作停止，而且最后一块块长度和CRC是有效的，那么数据可以被操作（programmed）。

●卡可能提供块写缓冲。

这意味着在前一块数据被操作时，下一块数据可以传送给卡。

如果所有卡写缓冲已满，只要卡在ProgrammingState，DAT0将保持低电平（BUSY）。

●写CSD、CID、写保护和擦除时没有缓冲。

这表明在卡因这些命令而处于忙时，不再接收其他数据传输命令。

在卡忙时DAT0保持低电平，并处于ProgrammingState。

实际上如果CMD和DAT0线分离，而且主机占有的忙DAT0线和其他DAT0线分开，那么在卡忙时，主机可以访问其他卡。

●在卡被编程（programming）时，禁止参数设置命令。

参数设置命令包括：

设置块长度（CMD16），擦除块开始（CMD32）和擦除块结束（CMD33）。

●卡在操作时不允许读命令。

●使用CMD7指令把另一个卡从Stand-by状态转移到Transfer状态不会中止擦除和编程（programming）操作。

卡将切换到Disconnect状态并释放DAT线。

●使用CMD7指令可以不选中处于Disconnect状态的卡。

卡将进入Programming状态，重新激活忙指示。

●使用CMD0或CMD15重置卡将中止所有挂起和活动的编程（programming）操作。

这可能会破坏卡上的数据内容，需要主机保证避免这样的操作。

4.1宽总线选择/不选择

宽总线（4位总线宽度）操作模式通过ACMD6选择和不选择。

在上电后或GO_IDLE（CMD0）命令后默认的总线宽度是1位。

ACMD6命令只在“transtate”有效，即只有在卡选中后（CMD7）总线宽度才能修改。

4.2读数据格式

DAT总线在没有数据传输时处于高电平。

一个传输数据块包含一个起始位（LOW），接着连续的数据流。

数据流包含有效数据（如果使用了ECC了还包括错误纠正位）。

数据流以一个结束位（HIGH）结束。

数据传输和时钟信号同步。

以块传输的有效数据包含CRC校验和。

产生多项式是标准CCITT多项式。

采用了缩短的BCH码，d=4，有效数据长度最长为2048字节。

CRC校验和对每个DAT线单独计算并附加在每个数据块后。

在宽总线模式操作（DAT0-DAT3）中，16位的CRC校验对每个DAT分别计算。

数据块读

传输的基本单位是数据块，最大尺寸在CSD中定义（READ_BL_LEN）。

开始和结束地址完全包含在一个物理数据快（如READ_BL_LEN定义）中的较小的块也可以传递。

CRC附加在每个数据块的尾部用来保证数据传输的完整性。

CMD17（READ_SINGLE_BLOCK）开始一个块读操作，然后传输完成后进入Transfer状态。

CMD18（READ_MULTIPLE_BLOCK）开始连续的块传输，直到停止命令。

停止命令有一个执行延迟。

在停止命令最后一位发送完以后数据传输停止。

如果主机使用累计长度不是块对齐的部分块，在第一个不对齐块的开始，卡会发现一个块未对齐错误，在状态寄存器中设置ADDRESS_ERR错误，中止传输并等待（在Data状态）停止命令。

4.3数据写格式

数据写传输格式类似于读格式。

对于以块为单位的写数据传输，CRC检验位附加到每个数据块。

卡的每根数据线在接收到数据并在写操作前，执行CRC校验。

数据块写

数据块写（CMD24-27,42,56（W））,一个或多个数据块从主机发送给卡，主机在每个数据块后附加CRC校验。

数据块长度WRITE_BL_LEN（512B）。

如果CRC校验失败，卡将在DAT数据线上指示错误。

传输的数据将被抛弃，而且后续传输的数据块（在多数据块写模式）也都会被忽略。

多数据块写命令比连续的单数据块写命令速度快。

不允许部分块写（小于512B）。

当主机试图在写保护区域写数据时写操作将中止。

在这种情况下，卡在状态寄存器设置WP_VIOLATION位，并忽略所有后续数据传输，并在Receive-data状态下等待停止命令。

对CID和CSD寄存器进行编程操作不需要实现设置块长度，传输的数据也是CRC保护的。

如果CSD或CID寄存器一部分存储于ROM中，那么不可改变部分必须和接收缓冲中的相应部分内容保持一致。

如果匹配失败，卡将报告一个错误，而且不改变任何寄存器内容。

接收到一个数据块并完成CRC校验后，卡将开始写，如果写缓冲满而且不能从一个新的WRITE_BLOCK命令接收新数据时，DAT0线保持为低电平。

任何时候主机都可以通过SEND_STATUS（CMD13）命令获取卡的状态。

状态位READY_FOR_DATA指示卡是否可以接收新数据或写操作还在进行中。

主机通过CMD7（选中另一个卡）不选中卡，这个操作可以把卡的状态编程Disconnect并释放DAT线而不中断写操作。

当不选中卡时，如果编程还在进行而且写缓冲不可用时，将通过下拉DAT为低电平来重新激活忙信号。

实际上，主机通过interleaving可以实现多个卡同时写操作，interleaving过程可以通过在卡忙时访问其他卡实现。

预擦除设置优先于多数据块写操作

设置多个写数据块的预擦除（ACMD23）可以使得接下来的多个数据块写操作比没有预先执行ACMD23的相同操作更快。

主机可以通过该命令设置多少个数据块将在接下来的写操作中发送。

如果在所有数据块发送给卡时中止了写操作（使用停止传输命令），残余写数据块的内容（指要写入新内容的数据块？

）将变得不确定（可能已擦除或还是原来的数据）。

如果主机发送了超过ACMD23中定义的数据块数目的数据，卡将逐个擦除数据块（在收到新数据时）。

多数据块写操作完成后值将重新设置为默认值1。

建议在CMD25命令前使用该命令以加速写操作。

如果需要预擦除主机在写命令前发送ACMD23。

如果不发送ACMD23命令，设置的预擦除数将在其他指令执行时自动清除。

发送写数据块数目

系统使用管道机制