基于FPGA的SD卡讀寫操作（一）

引言：本文介紹寫SD卡的理論知識，主要包括SD卡分類、容量、速度、管腳、物理結(jié)構(gòu)以及命令控制等。

1. 概述

SD卡存儲卡，是用于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、便攜式電腦、MP3和其他數(shù)碼產(chǎn)品上的獨(dú)立存儲介質(zhì)，一般是卡片的形態(tài)，故統(tǒng)稱為“存儲卡”，又稱為“數(shù)碼存儲卡”、“數(shù)字存儲卡”、“儲存卡”等。SD 卡是在 MMC 卡的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，全稱 Secure Digital Card，譯為安全數(shù)字卡，簡稱SD卡。

由松下電器、東芝和閃迪聯(lián)合推出，1999 年 8 月發(fā)布。SD卡的數(shù)據(jù)傳送和物理規(guī)范與MMC相似，大小和MMC卡差不多，尺寸為32mmx24mmx2.1mm。長寬和MMC卡一樣，只是比MMC卡厚了0.7mm，以容納更大容量的存貯單元。SD卡與MMC卡保持著向上的兼容，MMC卡可以被新的SD設(shè)備存取，兼容性則取決于應(yīng)用軟件，但SD卡卻不可以被MMC設(shè)備存取。

圖2：SD卡發(fā)展歷程

按照外形與尺寸，SD卡可分為三類：標(biāo)準(zhǔn)SD卡、MiniSD卡和MicroSD 卡，典型參數(shù)如圖3所示。

圖3：三類SD典型參數(shù)

（1）標(biāo)準(zhǔn)SD：規(guī)格最大的一種，今天市面上大多數(shù)消費(fèi)級數(shù)字相機(jī)和攝像機(jī)均使用此標(biāo)準(zhǔn)的SD卡，這種卡有標(biāo)準(zhǔn)的“缺角”設(shè)計。

（2）mini-SD：在數(shù)碼相機(jī)，PDA等所用的Flash Memory Card（中文名：快閃存儲卡）基礎(chǔ)上發(fā)展出的一種更小更適合小型手機(jī)用的存儲卡。盡管mini-SD卡的外形大小及接口形狀與原來的SD卡不同，但接口等電氣標(biāo)準(zhǔn)相同，以確保兼容性。將mini-SD卡插入專用適配器，可通過原來的SD卡插槽讀寫mini-SD卡。不過，不具備像SD卡那樣防寫入的鎖定功能。

（3）Micro SD：原名Trans-flash Card（TF卡），2004年正式更名為Micro SD Card，由SanDisk（閃迪）公司發(fā)明，主要用于移動電話。目前，提供128MB、256MB、512MB、1G、2G、4G、8G、16G、32G、64G、128G、256G、512G、1T容量的Micro SD卡供消費(fèi)者選用。

SD卡管腳定義如下圖4和圖5所示。

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圖4：SD卡典型管腳定義

圖5：Micro SD卡典型管腳定義

2. SD卡的容量和速度

2.1 SD卡容量

SD卡按照容量標(biāo)準(zhǔn)可分為 4 個等級：

SD：Secure Digital Card，安全數(shù)字卡；

SDHC ：Secure Digital High Capacity，高容量安全數(shù)字卡；

SDXC ：SD eXtended Capacity，容量擴(kuò)大化的安全數(shù)字卡；

SDUC：Secure Digital Ultra Capacity，超容量安全數(shù)字卡。

圖6：SD卡按容量分類

市場的主流SD產(chǎn)品是SDHC和SDXC這兩種較大容量的存儲卡，SD卡因容量過小，已逐漸被市場淘汰，SDUC則是容量太大，預(yù)計會出現(xiàn)在未來市場。

2.2 SD卡速度

不同品牌和廠商生產(chǎn)的SD卡在對存取速度上的定義標(biāo)準(zhǔn)不同，這會使用戶在選擇SD卡時產(chǎn)生困擾。所以SD協(xié)會根據(jù)視頻勻速寫入到SD卡的最低持續(xù)速度來劃分不同等級，每個等級的速率是以每秒傳輸多少M(fèi)B來衡量的，單位為MB/SSD協(xié)會定義了三種速度等級：速度等級、UHS速度等級與視頻速度等級。三種速度等級的具體傳輸速度如圖7所示。

圖7：SD卡速度等級

從SD2.0的規(guī)范開始，對SD普通卡和高速卡的速度分級是：Class2、Class4、Class6和 Class 10 四個等級。

UHS 速度等級

UHS（Ultra High Speed）是與SDXC同時推出的SD卡總線標(biāo)準(zhǔn)。UHS 速度等級適用于SDHC和SDXC。SD協(xié)會定義的UHS速度等級是UHS速度等級1(UHS-1）和UHS速度等級 3(UHS-3）。U1和U3可應(yīng)用于UHS總線IF產(chǎn)品系列(UHS-I，UHS-II和UHS-III）。廠商一般會直接在SD卡上標(biāo)注速度，這可協(xié)助消費(fèi)者透過讀寫標(biāo)志來選擇所需要的效能。

視頻速度等級

視頻速度等級定義為能滿足高分辨率和高質(zhì)量4K/8K 視頻錄制的需求，它還具有支持下一代閃存類型（如3DNAND）的重要功能。此外，視頻速度等級還涵蓋了HD高清（2K）視頻的速度。SD協(xié)會定義的視頻速度等級為V6，V10，V30，V60和V90。V6和V10可應(yīng)用于高速和UHS總線IF產(chǎn)品系列。V30可應(yīng)用于UHS總線 IF產(chǎn)品系列。V60和V90可應(yīng)用于UHS-II/UHS-III 產(chǎn)品系列。

3. SD卡物理結(jié)構(gòu)

SD卡物理結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8：SD卡物理結(jié)構(gòu)

SD卡從物理結(jié)構(gòu)看包括5個部分，分別為存儲單元、存儲單元接口、電源檢測、卡及接口控制器和接口驅(qū)動器，具體見圖8。存儲單元是存儲數(shù)據(jù)部件，存儲單元通過存儲單元接口與卡控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；電源檢測單元保證SD卡工作在合適的電壓下，如出現(xiàn)掉電或上電狀態(tài)時，它會使控制單元和存儲單元接口復(fù)位；卡及接口控制單元控制SD卡的運(yùn)行狀態(tài)，它包括有8個寄存器；接口驅(qū)動器控制SD卡引腳的輸入輸出。

常規(guī)的SD卡共有9個引腳接口，其中包括3根電源線、1根時鐘線、1根命令線和4根數(shù)據(jù)線。工作模式有兩種：SDIO模式和SPI模式(模式3)。各信號簡介如下：

CLK：同步時鐘線，由SDIO主機(jī)產(chǎn)生，即由主機(jī)控制器輸出；使用SPI模式時，該引腳與SPI總線的SCK時鐘信號相連；

CMD：命令控制線，SDIO主機(jī)通過該線發(fā)送命令控制SD卡，如果命令要求SD卡提供應(yīng)答(響應(yīng))，SD卡也是通過該線傳輸應(yīng)答信息；使用SPI模式時，該引腳與SPI總線的MOSI信號相連，SPI主機(jī)通過它向SD卡發(fā)送命令及數(shù)據(jù)，但因為SPI總線的MOSI僅用于主機(jī)向從機(jī)輸出信號，所以SD卡返回應(yīng)答信息時不使用該信號線；

DAT0-3：在SDIO模式下，它們均為數(shù)據(jù)線，傳輸讀寫數(shù)據(jù)，SD卡可將 D0拉低表示忙狀態(tài)；在SPI模式下，DAT0與SPI總線的MISO信號相連，SD卡通過該信號線向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)或響應(yīng)，DAT3與總線的CS信號相連，SPI主機(jī)通過該信號線選擇要通訊的SD卡。

VDD、VSS1、VSS2：電源和地信號，其中Micro SD卡不包含VSS2信號，即Micro SD卡僅有8根線。

SD卡有兩種工作模式，在SDIO模式下，SD卡共使用到CLK、CMD、DAT[3:0]六根信號線；SDIO總線與多張SD卡連接時，可以共用CLK時鐘信號線，對于CMD、DAT[3:0]信號線，每張SD卡都要獨(dú)立連接。SDIO總線與SD卡連接方式，具體見圖9。

圖9：SDIO總線與SD卡互聯(lián)

在SPI模式下，SD卡共使用到CS(DAT[3])、CLK、MISO(DAT[0])、MOSI(CMD)四根信號線；SPI 總線與多張 SD卡連接時，除CS片選信號線不可共用外，其他信號均可公用。SPI總線與SD卡連方式，具體見圖10。

圖10：SPI總線與SD卡互聯(lián)

4. SD卡寄存器

SD卡總共有8個寄存器，用于設(shè)定或表示SD卡信息，寄存器描述具體見圖11。這些寄存器只能通過對應(yīng)的命令訪問，對SD卡的控制操作是通過命令來執(zhí)行的，SD卡定義了64個命令（部分命令不支持SPI模式），每個命令都有特殊意義，可以實現(xiàn)某一特定功能，SD卡接收到命令后，根據(jù)命令要求對SD卡內(nèi)部寄存器進(jìn)行修改，程序控制中只需要發(fā)送組合命令就可以實現(xiàn)SD卡的控制以及讀寫操作。

圖11：SD卡寄存器寄存器簡述

5. SD卡命令控制

5.1 SD卡控制時序

SD卡的通信是基于命令和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。通訊由一個起始位(“0”)開始，由一個停止位(“1”)終止。SD通信一般是主機(jī)發(fā)送一個命令(Command)，從設(shè)備在接收到命令后作出響應(yīng)(Response)，如有需要會有數(shù)據(jù)(Data)傳輸參與。SD卡的基本交互是命令與響應(yīng)交互，如圖12所示，圖中的DataIn和DataOut線分別是SPI的MISO及MOSI信號。

圖12：命令與響應(yīng)交互

SD數(shù)據(jù)是以塊(Block)形式傳輸?shù)?，SDHC卡數(shù)據(jù)塊長度一般為512字節(jié)，數(shù)據(jù)可以從主機(jī)到卡，也可以是從卡到主機(jī)。數(shù)據(jù)塊需要CRC位來保證數(shù)據(jù)傳輸成功，CRC位由SD卡系統(tǒng)硬件生成。單個數(shù)據(jù)塊的讀寫時序見圖12、圖13。

圖 12：單塊讀操作

圖:13：單塊寫操作

讀寫操作都是由主機(jī)發(fā)起的，主機(jī)發(fā)送不同的命令表示讀或?qū)?，SD卡接收到命令后對命令返回響應(yīng)。在讀操作中，SD卡返回一個數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊中包含 CRC校驗碼；在寫操作中，主機(jī)接收到命令響應(yīng)后需要先發(fā)送一個標(biāo)志（TOKEN）然后緊跟一個要寫入的數(shù)據(jù)塊，卡接收完數(shù)據(jù)塊后會返回一個數(shù)據(jù)響應(yīng)及忙碌標(biāo)志，當(dāng)SD卡把接收到的數(shù)據(jù)寫入到內(nèi)部存儲單元完成后，會停止發(fā)送忙碌標(biāo)志，主機(jī)確認(rèn)SD卡空閑后，可以發(fā)送下一個命令。SD數(shù)據(jù)傳輸支持單塊和多塊讀寫，它們分別對應(yīng)不同的操作命令，結(jié)束多塊讀寫時需要使用命令來停止操作。

5.2 SD卡命令

命令格式

SD命令由主機(jī)發(fā)出，命令格式固定為48bit，通過CMD信號線連續(xù)傳輸。SD 命令格式，具體見圖14。

圖:14：命令格式

起始位和終止位：命令的主體包含在起始位與終止位之間，它們都只包含一個數(shù)據(jù)位，起始位為 0，終止位為 1。

傳輸標(biāo)志：用于區(qū)分傳輸方向，該位為1時表示命令，方向為主機(jī)傳輸?shù)絊D卡，該位為0時表示響應(yīng)，方向為SD卡傳輸?shù)街鳈C(jī)。命令主體內(nèi)容包括命令、地址信息/參數(shù)和CRC校驗三個部分。

命令號：它固定占用6bit，所以總共有64個命令，每個命令都有特定的用途，部分命令不適用于SPI總線，或不適用于SD卡操作，只是專門用于MMC卡或者 SD I/O卡。

地址/參數(shù)：每個命令32bit地址信息/參數(shù)用于命令附加內(nèi)容，例如，廣播命令沒有地址信息，這32bit用于指定參數(shù)，而尋址命令這32bit用于指定目標(biāo)SD卡的地址，當(dāng)使用SDIO驅(qū)動多張SD卡時，通過地址信息區(qū)分控制不同的卡，使用SPI總線驅(qū)動時，通過片選引腳來選擇不同的卡，所以使用這些命令時地址可填充任意值。CRC7校驗：長度為7bit的校驗位用于驗證命令傳輸內(nèi)容正確性，如果發(fā)生外部干擾導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)個別位狀態(tài)改變將導(dǎo)致校準(zhǔn)失敗，也意味著命令傳輸失敗，SD卡不執(zhí)行命令。使用SDIO驅(qū)動時，命令中必須包含正確的CRC7校驗值；而使用SPI驅(qū)動時，命令中的CRC7校驗?zāi)J(rèn)是關(guān)閉的，即這CRC7校驗位中可以寫入任意值而不影響通訊，僅在發(fā)送CMD0命令時需要強(qiáng)制帶標(biāo)準(zhǔn)的CRC7校驗。

命令說明

SD卡命令可分為標(biāo)準(zhǔn)命令 (如CMD0)和特殊應(yīng)用命令 (如ACMD41)，其中特殊應(yīng)用命令只有在先寫入CMD55命令后才能被識別。按照指令類型又可將 SD卡命令分為基本命令、數(shù)據(jù)塊寫命令、數(shù)據(jù)塊讀命令、擦除命令等12種(class0 ~ class11)，部分命令不適用于SPI 總線，或不適用于SD卡操作，只是專門用于MMC卡或者 SD I/O 卡。

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