【SDIO】SD2.0协议分析总结（一）-- SD卡基本概率介绍

2023-11-05

1.前言

由于目前使用的硬件平台STM32只支持SD2.0，所以后面的介绍主要是参考《Part1_Physical_Layer_Simplified_Specification_Ver2.00.pdf》的学习总结。

2.SD卡简介

SD 卡(Secure Digital Memory Card)在我们生活中已经非常普遍了，控制器对 SD卡进行读写通信操作一般有两种通信接口可选，一种是 SPI接口，另外一种就是 SDIO 接口。SDIO 全称是安全数字输入/输出接口，多媒体卡(MMC)、SD 卡、SD I/O 卡都有 SDIO 接口。SD I/O 卡本身不是用于存储的卡，它是指利用 SDIO 传输协议的一种外设。比如 Wi-Fi Card，它主要是提供 Wi-Fi功能，有些 Wi-Fi模块是使用串口或者 SPI接口进行通信的，但 Wi-Fi SDIO Card是使用 SDIO 接口进行通信的。
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SD卡按内存容量分类如下：

简称	全称	容量大小	SD版本
SDSC	Standard Capacity SD Memory Card	<=2GB	2.0版本以上
SDHC	High Capacity SD Memory Card	2GB~32GB	2.0版本以上
SDXC	Extended Capacity SD Memory Card	32GB~2TB	3.0版本以上
SDUC	Ultra Capacity SD Memory Card	2TB~128TB	8.0版本以上

总线速度模式分类如下：

SD版本	总线速度	总线接口
2.0	最高速度 < 25 MB/sec	1. 支持4条3.3V数据线High Speed模式
3.0	最高速度 < 104 MB/sec	1. 支持4条3.3V数据线High Speed模式 2. 支持4条1.8V数据线 UHS-I模式
6.0	最高速度 < 6.24Gbps per lane	1. 支持4条3.3V数据线High Speed模式 2. 支持4条1.8V数据线 UHS-I模式 3. 支持UHS-II、UHS-III不同的接口总线模式
8.0	最高速度 < 3938MB/s	1. 支持4条3.3V数据线High Speed模式 2. 支持4条1.8V数据线 UHS-I模式 3. 支持UHS-II、UHS-III不同的接口总线模式 4. 支持PCIe Gen 4 2 lanes不同的接口总线模式

3. SD总线Pin和Register分布

一张 SD卡包括有存储单元、存储单元接口、电源检测、卡及接口控制器和接口驱动器 5个部分。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 5个部分控制 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。

SD卡功能框图如下：

SD卡的pin定义如下：

microSD卡功能框图如下：

microSD卡的pin定义如下：

SD 卡寄存器总共有 8个寄存器，用于设定或表示 SD 卡信息，如下：

名称	bit 宽度	描述
CID	128	卡识别号(Card identification number):用来识别的卡的个体号码(唯一的)
RCA	16	相对地址(Relative card address):卡的本地系统地址，初始化时，动态地由卡建议，主机核准
DSR	16	驱动级寄存器(Driver Stage Register):配置卡的输出驱动
CSD	128	卡的特定数据(Card Specific Data):卡的操作条件信息
SCR	64	SD 配置寄存器(SD Configuration Register):SD 卡特殊特性信息
OCR	32	操作条件寄存器(Operation conditions register)
SSR	512	SD 状态(SD Status):SD 卡专有特征的信息
CSR	32	卡状态(Card Status):卡状态信息

4. SD总线协议

SD总线上的通信是基于Command和Data传输的，由一个开始位(“0”)发起，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。

Command：Command是启动操作的令牌。Command从主机发送到单个卡(寻址命令)或所有连接的卡(广播命令)。Command在CMD数据线上串行传输。
Response：Response是一个令牌，它从一个有地址的卡或从所有连接的卡发送到主机，作为对先前接收到的命令的回答。Response在CMD数据线上串行传输。
Data：Data可以从卡转移到主机或反之亦然。Data通过DAT数据线传输。

4.1 SD总线CMD和DATA交互介绍

SD 总线的基本交互是命令与响应交互，如下图：

SD 数据是以块(Black)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。下图为主机向 SD卡写入数据块操作示意：

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，多块写入还需要使用命令来停止整个写入操作。数据写入前需要检测 SD 卡忙状态，因为 SD 卡在接收到数据后编程到存储区过程需要一定操作时间。SD卡忙状态通过把 D0 线拉低表示。

数据块读操作与之类似，只是无需忙状态检测。

4.2 SD总线Command和Response的命令格式

Command令牌格式如下：

逻辑分析仪抓取CMD8的实际波形图如下：
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每个Command前面都有一个开始位(0)，后面有一个结束位(1)，总长度为48 bit。每个Command都被CRC位保护，这样就可以检测到传输错误并重复操作。

Response的长度有48 或136 bit，这个取决于R1、R2、R3…的Content的大小，后面会详细介绍Command和Response的定义。Response令牌格式如下：

在CMD数据线中，首先传输最高有效位(MSB)，最后传输最低有效位(LSB)。

4.3 SD总线Data包格式

使用4条数据线传输时，每次传输 4bit数据，每根数据线都必须有起始位、终止位以及CRC位，CRC 位每根数据线都要分别检查，并把检查结果汇总然后在数据传输完后通过D0 线反馈给主机。

SD 卡数据包有两种格式，一种是常规数据(8bit 宽)，它先发低字节再发高字节，而每个字节则是先发高位再发低位，1 or 4线传输示意图如下：
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4 线同步发送，每根线发送一个字节的其中两个位，数据位在四线顺序排列发送，DAT3 数据线发较高位，DAT0数据线发较低位。

另外一种数据包发送格式是宽位数据包格式，对 SD卡而言宽位数据包发送方式是针对 SD卡 SSR(SD 状态)寄存器内容发送的，SSR 寄存器总共有 512bit，在主机发出ACMD13命令后 SD卡将 SSR 寄存器内容通过 DAT线发送给主机。宽位数据包格式示意见图如下：
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逻辑分析仪抓取SD卡传输Data的实际波形图如下：

5. 参考资料

SDIO参考的资料如下：
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下载地址如下：
https://download.csdn.net/download/ZHONGCAI0901/14975835

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