嵌入式开发中SD卡的分类及常见属性

SD

SD卡（secure digital card）是SD卡协会开发的低成本，非易失性存储卡格式（相比较于RAM，SD卡掉电数据不丢失）；

随着本世纪电子技术的高速发展，对于这种中等型号，节能、节省空间的存储器设备的需求一直在快速增长；

SD卡具有SDHC的速度等级，范围；2级（以2 MB / s的速度运行）；4级（以4MB / s的速度运行）；6级（以最高6 MB / s的速度运行）；10级（以最高的速度运行） 10 MB /秒；

SDXC卡以超高速运行，并以最高30 Mb/s的速度运行；还有视频速度等级，数据传输速率高达90MB/s。

SD卡速度级别

SD卡还具有不同的尺寸或形状因子，包括standard SD卡, mini SD卡 and micro SD卡；

卡尺寸分类

SD卡可以是通常具有高达4 GB的存储容量的标准SD卡，也可以是高达64 GB的高容量卡（SDHC）以及达到TB级的扩展容量（SDXC）。

卡容量

接口

SD卡可以在SD总线模式或SPI总线模式下运行，通常可以使用SDIO总线或者SPI对SD进行驱动；

下面主要以micro SD为例，就SDIO模式和SPI模式做简单做一下介绍；

microSD引脚输出，SD模式

引脚	引脚名称	信号功能
1	DAT2	数据位2
2	CD / DAT3	卡检测/数据位3
3	CMD	命令行
4	Vdd	电源电压2.7v / 3.6v
5	Clk	时钟
6	VS	地
7	DAT0	数据位0
8	DAT1	数据位1

microSD引脚输出，SPI模式

引脚	引脚名称	信号功能
1	NC	没有连接
2	/CS	片选
3	DI	主输出/从属（MOSI）
4	Vdd	电源电压2.7v / 3.6v
5	Clk	时钟
6	Vss	地
7	DO	主进/从出（MISO）
8	RSV	已预留

协议

SD协议中，由于命令数据线和数据线是分开的，因此我们需要关注，命令的传输格式，以及数据的传输格式；

命令传输

命令以48位数据包的形式通过双向CMD引脚进行传输。

这些命令包包括命令索引，变量和CRC位。该命令始终通过主机发送，最终由SD卡接收。

回传的响应数据包也为48位。

整体命令如下图所示；

48位的命令格式

每个命令的恒定长度为6个字节。第一个字节是命令编号和数字64的 加法。例如：对于CMD0：命令编号0 + 64 = 64 = 0x40（十六进制）。

对于CMD1：十六进制命令号1 + 64 = 65 = 0x41。

随后是一组四个字节，称为参数。

这些参数通常包含数据的地址或块的长度。

最后一个字节是CRC（循环冗余校验）字节。

如果未启用CRC功能，则大多数SPI模式下的命令都不需要校验字节。

对于某些命令，例如CMD0，CRC为0x95，在大多数情况下，发送的是0xFF。

启用CRC要求您从微控制器发送正确的校验字节。因此，请确保启用或禁用了CRC功能。

发送命令的格式如下所示；

帧格式

R1响应0x01表示在响应之前发送的命令已导致卡进入空闲状态。响应字节0x00表示命令已被接受，SD卡将等待后续的事件发生。如果设置了R1响应中的任何其他位，则是错误的结果，并且将降低到图中每个R1响应位中提到的因数。

不同类型的响应及其含义如下所示；

响应

数据传输

在数据传输期间，传输的基本单位称为块，通常为512字节，并通过所有4个数据引脚进行传输。同样，在每次块传输之后，将发送16位CRC数据。

请注意，SD卡在状态下运行。每个状态都有不同的命令集，主机可以通过控件更改状态。

命令和数据信号通过时钟信号同步。最初，主机使用400KHz时钟与卡进行通信，但最终它会在传输过程中最大提高时钟速度，效率。

因为在初始化之前，主机不知道它是SD卡还是MMC卡。

默认情况下，MMC卡在初始化期间默认工作在漏极开路模式（100-400KHz），而SD卡工作在推挽模式（0-25Mhz）。

因此，最初，主机使用400KHz来保持与漏极开路和推挽模式的兼容性。

硬件设计

SDIO

这是从SD/MMC外设到SD卡插槽的4 Bit连接的示例。

使用Data[3..0]，CLK和CMD信号。

SD卡插槽暴露在外部环境中。即使未与任何其他设备连接，它也可能会受到人体中积累的静电电荷的影响，而当手指触摸该静电时，静电会释放到屏蔽中。

为了符合EMC规范，必须进行一些常规预防措施，以过滤和避免传导辐射。此外，SD卡规范还规定了上拉电阻和串联阻抗匹配电阻。

幸运的是，当SD在移动设备中如此普遍地传播时，已经有集成方案，它可以一次实现所有这些功能。

CM1624是EMI滤波器和线路终端设备的组合，带有集成的TVS二极管，可用于T-Flash / MicroSD接口。

SPI

下面在SPI模式下使用的SD卡的示例，根据SD Association的规范连接了MISO，MOSI，CLK和CS信号。

我们只需要在时钟线上应用滤波器以在非常恶劣的环境中改善EMC。

在SDIO模式或者SPI模式下，磁道都以高数据速率传输数据和时钟信号。

为了避免信号出现毛刺，必须考虑信号传播时间，以确保所有数据在时钟触发读取或写入的操作之前，接口处稳定。

所有数据信号的路径长度必须在十分之几毫米的长度内匹配，并且时钟长度必须长约1毫米。

为避免串扰，这些走线必须在其周围和下方保持良好的接地平面，并且还应通过足够数量的通孔连接各层。

总结

本文简单介绍了SD卡的分类以及常见属性，另外还简单介绍了SD卡的协议，在硬件设计上给出了SPI总线和SDIO总线的示例电路，篇幅有限，软件部分暂时没有进行展开介绍；

审核编辑：黄飞