关于可移动计算机存储器SD卡介绍

　　多年来，可移动计算机存储器已经通过许多不同的介质得到了发展。最初的可移动磁盘是磁软盘，然后是硬磁盘。

　　在20世纪90年代，可移动存储过渡到光盘介质（后来被DVD超越）。

　　在2000年代，由于闪存技术的进步，基于闪存的可移动存储开始流行。最初，这主要是在USB拇指驱动器的形式。许多竞争的存储卡格式也出现了；包括索尼记忆棒、CompactFlash （CF）、xD-Picture卡、东芝SmartMedia和多媒体卡（MMC）；然而，安全数字（SD）卡最终获得了最大的市场吸引力。

　　SD卡类似于MMC卡（实际上是从MMC卡衍生而来的），但是SD卡略厚（2.1毫米对MMC的1.4毫米），并被开发为添加DRM（数字版权管理）功能以打击音乐盗版。一般来说，SD卡向后兼容MMC卡，这意味着MMC卡可以在支持SD卡的地方使用（但不一定反过来）。MMC和SD继续共存，SD更受可移动存储器的欢迎，MMC（以eMMC的形式）更受嵌入式系统焊接存储的欢迎。

　　波形因数

　　SD卡有3种外形规格。最初是全尺寸SD，随后是miniSD和microSD。

　　

 

　　通信接口

　　SD卡的引脚排列如下：

　　

 

　　SD卡支持两种通信协议：SD总线和SPI总线（一些带有额外引脚的新型卡也支持UHS-II总线和PCIe总线协议，但SD总线和SPI总线是最常见的）。

　　几乎所有现代微控制器都包括SPI外设，因此SPI是嵌入式开发人员与SD卡通信的常用方式。

　　一些微控制器还包括用于与SD卡通信的SDIO外设。由于SD总线协议一次最多可传输4位数据（通过引脚DAT0-DAT3），并且具有独立的命令（CMD）线路，因此使用SD总线传输数据的速度比使用SPI总线（一次只能传输1位数据）快4-5倍。SD总线以1位模式启动，但可以通过发出适当的命令设置为4位模式。

　　默认情况下，卡以SD总线模式（1位）启动，但可以通过发送特定命令（CMD0）同时保持CS线为低电平来设置为SPI模式。由于SD总线CMD引脚与SPI总线MOSI引脚相同，并且SD总线CLK引脚与SPI总线SCK引脚相同，因此MCU SPI控制器可以用来发出命令。

　　本文不会试图涵盖完整的SD卡命令集或通信协议。该规范可从https://www.SDcard.org/downloads/pls/的SD协会获得（或者有时从sd卡制造商处检查规范文档可能更容易），但是大多数开发者将简单地使用现有的代码库，而不是从头开始编写他们自己的代码库。

　　数据存储

　　SD卡的读写是以块为单位进行的，通常大小为512字节。文件系统存储方案，如FAT16或FAT32，通常在卡上实现（作为原始闪存之上的概念层）。文件系统是存储数据的结构化方法（在文件和目录中），由主机（微控制器或计算机）上的软件处理，而不是由SD卡本身处理。同样，大多数开发人员会选择简单地使用现有的文件系统库，而不是从头开始编写自己的文件系统库。

　　FAT16文件系统更简单，在2GB或更小的SD卡开始变得稀缺之前一直很流行，因为2GB是FAT16可以处理的最大大小。FAT32可以处理高达16TB的文件系统。随着2GB或更小的SD卡变得越来越难找到（由于不再生产），许多开发人员被迫将他们的项目从使用FAT16文件系统迁移到使用FAT32。

　　可靠性

　　SD卡在内部使用闪存（有关更多信息，请参见我们关于闪存的专门文章），因此数据是以块的形式擦除的，通常大小为几千字节或更大。因此，为了写入一些新数据，可能需要擦除和重写整个存储块的大部分。因为此操作需要一点时间，所以如果在此过程中断电，数据可能会丢失，文件系统可能会损坏。此外，FAT库可以在MCU（微控制器单元）或MPU（微处理器单元）RAM中缓存数据，以便减少闪存中的擦除-写入操作的数量（减少存储器的磨损，因为它具有有限数量的可以执行的擦除-写入周期），并且同样，如果断电或系统崩溃，那么数据将会丢失。

　　由于闪存可执行的擦除-写入周期数量有限，一些SD卡在其内部控制器中包含损耗均衡功能，可自动将擦除-写入操作平均分配到闪存的整个区域（用户不可见，因为它会自动将物理内存地址转换为虚拟内存地址）。

　　工业SD卡可用，提供更高的可靠性和耐用性。这些卡配有实现损耗均衡和ECC（纠错码）等功能的控制器，高端卡还使用SLC（单层单元）或pSLC（伪单层单元）闪存技术，而不是MLC（多层单元）技术。MLC是一种在每个存储单元中存储多个位的技术——降低了成本，但也降低了可靠性和耐用性。对于远程和安全关键/高可靠性应用，建议使用工业SD卡。

　　电压水平

　　默认情况下，SD卡的工作电压为3.3V，因此需要电压转换器来连接5V微控制器。SDHC和SDXC卡可以根据命令切换到1.8V操作，这对于高速信号传输更好。

　　模拟支持

　　Proteus包括带SPI接口的MMC/SD卡仿真模型，可以连接到Proteus也支持仿真的各种微控制器。此外，微控制器和MMC/SD卡之间的SPI通信可以使用SPI调试器虚拟仪器进行调试。

　　审核编辑：黄飞