SDIO学习（2）--SD卡 2.0协议

本文参考文档：

《SD Specifications Part 1 Physical Layer Simplified Specification Version 2.00》

1 SD卡简介

1.1 SD卡概念

1.2 SD卡外形和接口

Clk：时钟线，由SDIO主机产生

CMD：命令控制线，SDIO主机通过改线发送命令控制SD卡，如果命令要求SD卡提供应答，SD卡也是通过该线传输应答信息。

DAT0-3：数据线，SD卡可将DAT0拉低表示忙状态，上电后，SD 卡默认只使用 DAT0 来传输数据。初始化之后，主机可以改变总线宽度(使用的数据线数目)。

SD卡和MMC卡接口引脚对比：

1.3 SD卡特点

2 SD 2.0特点

下面基于SD 2.0协议，对SD 2.0主要特点进行概述：

● 存储容量：
标准容量 SD 卡（SDSC）：最高达到 2GB
高容量 SD 卡（SDHC）：大于 2GB(SD2.0版本规格最高 32GB)

● 电压范围：
高电压 SD 卡-工作电压范围：2.7 -3.6V
双电压 SD 卡-工作电压范围：低电范围(待定) 和 2.7-3.6V

● 工作模式：
默认模式：可变时钟频率 0-25MHz，最高12.5MB/s 的接口速度(使用 4 条并行数据线)
高速模式：可变时钟频率 0-50MHz，最高25MB/s 的接口速度(使用 4 条并行数据线)

● 支持机械开关的写保护功能和卡检测功能(插入/拔出)

● 速度等级分类：定义了 4 个速度等级，来表示卡的最小速率：(实际上目前最高 Class10)
Class 0 – 这种卡不定义具体性能，代表了这个规范出来之前的所有卡
Class 2 – 最小 2MB/s 的性能
Class 4 – 最小 4MB/s 的性能
Class 6 – 最小 6MB/s 的性能

3 SD 2.0总线拓扑结构

SD 卡系统定义了两种通信协议：SD 和 SPI。主机系统可以选择任意一种。当收到 reset 命令的时候，SD 卡通过主机的信息来决定使用何种模式，并且之后的通讯都会使用相同的模式。

3.1 SD模式

SD 卡总线支持一主多从(卡)，拓扑结构如下图 3-2所示，其中时钟，电源和地信号是所有卡都有的，命令(CMD)和数据(DAT0-3)信号是点对点连接到所有卡。

在初始化时，处理命令会单独发送到每个卡，允许应用程序检测卡以及分配逻辑地址。数据总是单独发送(接收)到(从)每张卡。但是，为了简化卡的堆栈操作，在初始化过程结束后，所有的命令都是同时发送到所有卡。地址信息包含在命令包中。

SD 总线允许数据线的动态配置。上电后，SD 卡默认只使用 DAT0 来传输数据。初始化之后，主机可以改变总线宽度(使用的数据线数目)。

SD 总线包含下面的信号：
CLK：时钟信号
CMD：双向命令/响应信号
DAT0-DAT3：双向数据信号
Vdd，Vss1，Vss2：电源和地信号

3.2 SPI模式

SD 卡的 SPI 通信模式是用来同 SPI 信道通信，主要是应用在市场上的各种微处理器。模式选择是在上电后的第一次 reset 命令期间决定，并且只要不断电就不能改变。

SPI 标准只是定义了物理连接，没有完成数据传输协议。SD 卡的 SPI 实现使用了 SD 模式相同的命令。从应用的角度来说，SPI 模式的优点是使用现成主机的能力，从而减小设计压力，缺点是性能的损失。

SD 卡 SPI 接口同市场上现有的 SPI 主机兼容。同其他 SPI 设备一样，SD 卡的 SPI 信道有以下 4 个信号，其拓扑结构如下图3-3所示：
CS：主机到卡的片选(chip select)信号
CLK：主机到卡的时钟信号
DataIn：主机到卡的数据信号
DataOut：卡到主机的数据信号

SPI 的另一个特点是字节传输，这也是卡的实现。所有的数据都是字节(8 bit)的整数倍,并且直接总是对齐 CS 信号。

4 SD 2.0总线协议

SD总线的通信基于命令和数据流的，包含三个要素：命令（Command），响应（Response）和数据（Data）。

命令：命令是启动操作的令牌。命令从主机发送到卡（寻址命令）或所有连接的卡（广播命令），命令在CMD行上串行传输。

响应：响应是卡发送到主机，作为对先前接收到的命令的响应，响应在CMD线上串行传输。

数据：数据可以从卡传输到主机，反之亦然。

SD主机与SD存储卡之间的数据传输按块进行。数据块的后面总是CRC位。SD协议定义了单个和多个块操作，多块操作模式更适合大量数据的写入操作。当CMD线上出现停止命令时，多块传输终止。主机可以将数据传输配置为使用单个或多个数据线。

无论数据线的数量如何，块写入操作都使用DAT0数据线返回busy信号（见图3-4）。

1线和4线模式的数据结构如下图所示。

5 SD卡寄存器

SD卡接口中定义了六个寄存器：OCR、CID、CSD、RCA、DSR和SCR。这些只能通过相应的命令访问。OCR、CID、CSD和SCR寄存器携带卡/内容特定信息，而RCA和DSR寄存器是存储实际配置参数的配置寄存器。

5.1 OCR寄存器

OCR寄存器是一个32bit的操作条件寄存器，存储了卡支持的VDD电压描述，支持的电压如下表5-1所示，当对应的bit为0时表示SD卡不支持该电压。

Bit 31表示卡的上电状态信息位，如果卡上电完成，该位会置1，如果卡是busy状态，该位会置0。

Bit 30表示卡容量状态位（CCS），在上电完成后，读取该位可以获取卡的容量状态，若果CCS=1，则表示是高容量卡（2~32G），如果CCS=0，则表示是标准容量卡（0~2G）。

Bit 7是为双电压卡新定义的，默认设置为0。如果双电压卡没有接收到CMD8，则响应中的OCR位7指示0，并且接收到CMD 8的双电压卡将该位设置为1。

下表是中文版本：

5.2 CID 寄存器

卡识别(CID)寄存器是一个 128 位的寄存器。包含了卡的识别信息，用于卡识别解析。每个读/写卡都有一个特殊的识别号。CID 寄存器的结构如下：

下表是中文版本：

5.3 CSD 寄存器

卡特定数据寄存器提供关于访问卡内容的信息。CSD 定义了卡的数据格式，错误修改类型，最大数据访问时间等参数。

5.3.1 CSD_STRUCTURE

CSD 寄存器的结构体因SD协议版本和卡容量的不同而不同。CSD 寄存器中的CSD_STRUCTURE 表明了结构体版本。表5-3显示了相关CSD结构的版本号

5.3.2 CSD Register (CSD Version 2.0)

表5-16显示了大容量SD存储卡的CSD定义（CSD 2.0版）。以下部分介绍了大容量SD存储卡的CSD字段和相关数据类型。CSD 2.0版仅适用于大容量SD存储卡。括号中的字段名称设置为固定值，表示主机不必引用这些字段。固定值使引用这些字段的主机能够保持与CSD 1.0版的兼容性。Cell Type字段编码如下：R=可读，W（1）=一次可写，W=多次可写。