基于FPGA的SD卡读写操作（一）

引言：本文介绍写SD卡的理论知识，主要包括SD卡分类、容量、速度、管脚、物理结构以及命令控制等。

1. 概述

SD卡存储卡，是用于手机、数码相机、便携式电脑、MP3和其他数码产品上的独立存储介质，一般是卡片的形态，故统称为“存储卡”，又称为“数码存储卡”、“数字存储卡”、“储存卡”等。SD 卡是在 MMC 卡的基础上发展而来，全称 Secure Digital Card，译为安全数字卡，简称SD卡。

由松下电器、东芝和闪迪联合推出，1999 年 8 月发布。SD卡的数据传送和物理规范与MMC相似，大小和MMC卡差不多，尺寸为32mmx24mmx2.1mm。长宽和MMC卡一样，只是比MMC卡厚了0.7mm，以容纳更大容量的存贮单元。SD卡与MMC卡保持着向上的兼容，MMC卡可以被新的SD设备存取，兼容性则取决于应用软件，但SD卡却不可以被MMC设备存取。

图2：SD卡发展历程

按照外形与尺寸，SD卡可分为三类：标准SD卡、MiniSD卡和MicroSD 卡，典型参数如图3所示。

图3：三类SD典型参数

（1）标准SD：规格最大的一种，今天市面上大多数消费级数字相机和摄像机均使用此标准的SD卡，这种卡有标准的“缺角”设计。

（2）mini-SD：在数码相机，PDA等所用的Flash Memory Card（中文名：快闪存储卡）基础上发展出的一种更小更适合小型手机用的存储卡。尽管mini-SD卡的外形大小及接口形状与原来的SD卡不同，但接口等电气标准相同，以确保兼容性。将mini-SD卡插入专用适配器，可通过原来的SD卡插槽读写mini-SD卡。不过，不具备像SD卡那样防写入的锁定功能。

（3）Micro SD：原名Trans-flash Card（TF卡），2004年正式更名为Micro SD Card，由SanDisk（闪迪）公司发明，主要用于移动电话。目前，提供128MB、256MB、512MB、1G、2G、4G、8G、16G、32G、64G、128G、256G、512G、1T容量的Micro SD卡供消费者选用。

SD卡管脚定义如下图4和图5所示。

图4：SD卡典型管脚定义

图5：Micro SD卡典型管脚定义

2. SD卡的容量和速度

2.1 SD卡容量

SD卡按照容量标准可分为 4 个等级：

SD：Secure Digital Card，安全数字卡；

SDHC ：Secure Digital High Capacity，高容量安全数字卡；

SDXC ：SD eXtended Capacity，容量扩大化的安全数字卡；

SDUC：Secure Digital Ultra Capacity，超容量安全数字卡。

图6：SD卡按容量分类

市场的主流SD产品是SDHC和SDXC这两种较大容量的存储卡，SD卡因容量过小，已逐渐被市场淘汰，SDUC则是容量太大，预计会出现在未来市场。

2.2 SD卡速度

不同品牌和厂商生产的SD卡在对存取速度上的定义标准不同，这会使用户在选择SD卡时产生困扰。所以SD协会根据视频匀速写入到SD卡的最低持续速度来划分不同等级，每个等级的速率是以每秒传输多少MB来衡量的，单位为MB/SSD协会定义了三种速度等级：速度等级、UHS速度等级与视频速度等级。三种速度等级的具体传输速度如图7所示。

图7：SD卡速度等级

从SD2.0的规范开始，对SD普通卡和高速卡的速度分级是：Class2、Class4、Class6和 Class 10 四个等级。

UHS 速度等级

UHS（Ultra High Speed）是与SDXC同时推出的SD卡总线标准。UHS 速度等级适用于SDHC和SDXC。SD协会定义的UHS速度等级是UHS速度等级1(UHS-1）和UHS速度等级 3(UHS-3）。U1和U3可应用于UHS总线IF产品系列(UHS-I，UHS-II和UHS-III）。厂商一般会直接在SD卡上标注速度，这可协助消费者透过读写标志来选择所需要的效能。

视频速度等级

视频速度等级定义为能满足高分辨率和高质量4K/8K 视频录制的需求，它还具有支持下一代闪存类型（如3DNAND）的重要功能。此外，视频速度等级还涵盖了HD高清（2K）视频的速度。SD协会定义的视频速度等级为V6，V10，V30，V60和V90。V6和V10可应用于高速和UHS总线IF产品系列。V30可应用于UHS总线 IF产品系列。V60和V90可应用于UHS-II/UHS-III 产品系列。

3. SD卡物理结构

SD卡物理结构如图8所示。

图8：SD卡物理结构

SD卡从物理结构看包括5个部分，分别为存储单元、存储单元接口、电源检测、卡及接口控制器和接口驱动器，具体见图8。存储单元是存储数据部件，存储单元通过存储单元接口与卡控制单元进行数据传输；电源检测单元保证SD卡工作在合适的电压下，如出现掉电或上电状态时，它会使控制单元和存储单元接口复位；卡及接口控制单元控制SD卡的运行状态，它包括有8个寄存器；接口驱动器控制SD卡引脚的输入输出。

常规的SD卡共有9个引脚接口，其中包括3根电源线、1根时钟线、1根命令线和4根数据线。工作模式有两种：SDIO模式和SPI模式(模式3)。各信号简介如下：

CLK：同步时钟线，由SDIO主机产生，即由主机控制器输出；使用SPI模式时，该引脚与SPI总线的SCK时钟信号相连；

CMD：命令控制线，SDIO主机通过该线发送命令控制SD卡，如果命令要求SD卡提供应答(响应)，SD卡也是通过该线传输应答信息；使用SPI模式时，该引脚与SPI总线的MOSI信号相连，SPI主机通过它向SD卡发送命令及数据，但因为SPI总线的MOSI仅用于主机向从机输出信号，所以SD卡返回应答信息时不使用该信号线；

DAT0-3：在SDIO模式下，它们均为数据线，传输读写数据，SD卡可将 D0拉低表示忙状态；在SPI模式下，DAT0与SPI总线的MISO信号相连，SD卡通过该信号线向主机发送数据或响应，DAT3与总线的CS信号相连，SPI主机通过该信号线选择要通讯的SD卡。

VDD、VSS1、VSS2：电源和地信号，其中Micro SD卡不包含VSS2信号，即Micro SD卡仅有8根线。

SD卡有两种工作模式，在SDIO模式下，SD卡共使用到CLK、CMD、DAT[3:0]六根信号线；SDIO总线与多张SD卡连接时，可以共用CLK时钟信号线，对于CMD、DAT[3:0]信号线，每张SD卡都要独立连接。SDIO总线与SD卡连接方式，具体见图9。

图9：SDIO总线与SD卡互联

在SPI模式下，SD卡共使用到CS(DAT[3])、CLK、MISO(DAT[0])、MOSI(CMD)四根信号线；SPI 总线与多张 SD卡连接时，除CS片选信号线不可共用外，其他信号均可公用。SPI总线与SD卡连方式，具体见图10。

图10：SPI总线与SD卡互联

4. SD卡寄存器

SD卡总共有8个寄存器，用于设定或表示SD卡信息，寄存器描述具体见图11。这些寄存器只能通过对应的命令访问，对SD卡的控制操作是通过命令来执行的，SD卡定义了64个命令（部分命令不支持SPI模式），每个命令都有特殊意义，可以实现某一特定功能，SD卡接收到命令后，根据命令要求对SD卡内部寄存器进行修改，程序控制中只需要发送组合命令就可以实现SD卡的控制以及读写操作。

图11：SD卡寄存器寄存器简述

5. SD卡命令控制

5.1 SD卡控制时序

SD卡的通信是基于命令和数据传输的。通讯由一个起始位(“0”)开始，由一个停止位(“1”)终止。SD通信一般是主机发送一个命令(Command)，从设备在接收到命令后作出响应(Response)，如有需要会有数据(Data)传输参与。SD卡的基本交互是命令与响应交互，如图12所示，图中的DataIn和DataOut线分别是SPI的MISO及MOSI信号。

图12：命令与响应交互

SD数据是以块(Block)形式传输的，SDHC卡数据块长度一般为512字节，数据可以从主机到卡，也可以是从卡到主机。数据块需要CRC位来保证数据传输成功，CRC位由SD卡系统硬件生成。单个数据块的读写时序见图12、图13。

图 12：单块读操作

图:13：单块写操作

读写操作都是由主机发起的，主机发送不同的命令表示读或写，SD卡接收到命令后对命令返回响应。在读操作中，SD卡返回一个数据块，数据块中包含 CRC校验码；在写操作中，主机接收到命令响应后需要先发送一个标志（TOKEN）然后紧跟一个要写入的数据块，卡接收完数据块后会返回一个数据响应及忙碌标志，当SD卡把接收到的数据写入到内部存储单元完成后，会停止发送忙碌标志，主机确认SD卡空闲后，可以发送下一个命令。SD数据传输支持单块和多块读写，它们分别对应不同的操作命令，结束多块读写时需要使用命令来停止操作。

5.2 SD卡命令

命令格式

SD命令由主机发出，命令格式固定为48bit，通过CMD信号线连续传输。SD 命令格式，具体见图14。

图:14：命令格式

起始位和终止位：命令的主体包含在起始位与终止位之间，它们都只包含一个数据位，起始位为 0，终止位为 1。

传输标志：用于区分传输方向，该位为1时表示命令，方向为主机传输到SD卡，该位为0时表示响应，方向为SD卡传输到主机。命令主体内容包括命令、地址信息/参数和CRC校验三个部分。

命令号：它固定占用6bit，所以总共有64个命令，每个命令都有特定的用途，部分命令不适用于SPI总线，或不适用于SD卡操作，只是专门用于MMC卡或者 SD I/O卡。

地址/参数：每个命令32bit地址信息/参数用于命令附加内容，例如，广播命令没有地址信息，这32bit用于指定参数，而寻址命令这32bit用于指定目标SD卡的地址，当使用SDIO驱动多张SD卡时，通过地址信息区分控制不同的卡，使用SPI总线驱动时，通过片选引脚来选择不同的卡，所以使用这些命令时地址可填充任意值。CRC7校验：长度为7bit的校验位用于验证命令传输内容正确性，如果发生外部干扰导致传输数据个别位状态改变将导致校准失败，也意味着命令传输失败，SD卡不执行命令。使用SDIO驱动时，命令中必须包含正确的CRC7校验值；而使用SPI驱动时，命令中的CRC7校验默认是关闭的，即这CRC7校验位中可以写入任意值而不影响通讯，仅在发送CMD0命令时需要强制带标准的CRC7校验。

命令说明

SD卡命令可分为标准命令 (如CMD0)和特殊应用命令 (如ACMD41)，其中特殊应用命令只有在先写入CMD55命令后才能被识别。按照指令类型又可将 SD卡命令分为基本命令、数据块写命令、数据块读命令、擦除命令等12种(class0 ~ class11)，部分命令不适用于SPI 总线，或不适用于SD卡操作，只是专门用于MMC卡或者 SD I/O 卡。

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