【Linux驅動學習】SD卡規范學習

摘要：

學習SD卡的相關規范，包括定義，硬件特性，數據傳輸，命令系統等。不涉及代碼。

文章針對Linux驅動開發而寫，以助於理解SD卡驅動，不會涉及過多硬件內容。

綱要：

1. SD卡介紹

2. SD卡硬件規范

3. SD卡指令規范

4. SD卡寄存器

 

1. SD卡介紹

1.1 各類型儲存卡/接口

首先了解一下我們在SD卡驅動學習中會碰到的主要幾個儲存卡名詞：

SD：Security Digital Memory Card，新一代多媒體儲存卡，高速，安全（但安全機制貌似很少用到）
MMC：Multimedia Card，SD卡的上一代多媒體儲存卡，已基本被SD卡代替
eMMC：Embedded Multimedia Card，內嵌式存儲器，一般焊在PCB上。內置主控制器，以實現統一MMC接口（在傳統MMC接口上拓展，集成了整套理論），Nand Flash就是eMMC
SDIO：Secure Digital Input and Output Card，SD標准上定義了一種外設接口，有很多設備模塊采用。如Wifi，GPS，Bluetooth

1.2 SD卡特性

以下是SD卡的部分特性。

• 正向兼容MMC卡：能插SD卡的接口也可以插MMC卡
• 最大10個堆疊的卡
• SD模式和SPI模式
• 可變時鍾（0～25MHz），可變電壓（2.0～3.6V）
• 帶電插拔保護
• 安全系統，雙方認證和“新的密碼算法”技術

更多的特性請閱讀SD卡官方規范。

2. SD卡硬件規范

2.1 SD卡物理接口

下圖是SD卡和MMC卡的針腳：

可以看到，SD卡在MMC卡基礎上增加了8、9兩個針腳，這兩個針腳將被用作數據傳輸，以支持SD傳輸模式。SD卡支持SD模式（4數據線）和SPI模式（2數據線），MMC卡只支持SPI模式。

SD卡針腳對應的功能：（SD模式）

 

SD模式：數據並行傳輸，2地，1電源，1時鍾，1命令，4數據線（4出入）（SD模式的命令通過命令線傳輸）
SPI模式：數據串行傳輸，2地，1電源，1時鍾，1片選，2數據線（1入1出）（SPI模式的命令通過數據線傳輸）

以下內容，如無分開說明，默認指SD模式。（本文不會涉及SPI模式學習）

2.2 SD卡與主機的連接

SD模式和SPI模式中與主機的連接拓撲圖如下：

在SD模式中，數據線和命令線是分開連接到主機各GPIO口中的。在SPI模式中，片選線分別連接到主機各GPIO口，數據線在同一條總線上。

因為SPI模式的數據線在同一總線上，所以需要片選來選擇不同的儲存卡；SD模式分別連接到主機，不需要片選線。

3. SD卡命令規范

3.1 命令類型

SD卡有數十種指令，但無非都是一些獲取信息，數據傳輸的功能，並不會很難理解。規范書上有詳細的狀態轉換圖，下面會有介紹。

下面是4種指令類型：

• 廣播指令，無應答(代號bc)：發送完此類命令后，並不會有反饋，但操作已經生效。
• 廣播指令，有應答(代號bcr)：發送完此類命令后，SD卡會給予反饋。可能是一些寄存器信息，可能是
• 尋址（點對點）指令(代號ac)：發送完此類命令后，只有指定地址的SD卡會給予反饋（地址通過命令請求SD卡發布，是唯一的）。此時DAT線上無數據傳輸。
• 尋址（點對點）數據傳輸指令(adtc)：發送完此類命令后，只有制定地址的SD卡會給予反饋。此時DAT線上有數據傳輸。

3.2命令表

官方文檔將命令分成了好幾種功能。下面將所有命令列出，僅作查閱了解用，不需要每個命令都記住：

基礎命令：用於重置、切換SD卡狀態，獲取相關信息

讀塊命令：讀單個、多個塊數據，設置塊長度

寫塊命令：寫單個、多個塊數據，設置塊長度

擦除塊命令：把對應的塊數據擦除

寫保護命令：設置、取消對應地址的數據的寫保護，可以使其他程序無法寫入指定的地址，達到保護目的。用的情況不太多。

鎖卡命令：設置、取消鎖卡。鎖卡后需要密碼才能訪問SD卡。

應用特殊命令：CMD55，使用ACMD前必須先發送的命令；CMD56是標准的讀、寫命令，會讀、寫一個block的數據。

SDIO命令：預留給SDIO設備使用（CMD5也是預留給SDIO設備），在SD卡官方文檔中沒有說明具體用途

SD卡專用命令：MMC卡無法使用這些命令，里面包括如設置數據總線位寬，獲取SD卡信息（寄存器）。

3.2 命令/數據傳輸方式

命令的傳輸協議大致如下：

• 0開頭，1結尾
• 大端傳輸：先MSB，最后LSB
• CRC校驗

下面這幅圖是無響應和無數據兩種命令的傳輸情況：

非常清晰易懂，就不贅述了。

下面這幅圖是多塊數據讀的數據傳輸情況：

主機發送多塊讀命令時，首先sd卡會做出回應，同時准備數據。數據准備完成后開始發送，並在每個block傳輸完成后加入crc校驗碼。傳輸完一個block和crc后緊跟着下一個block的數據傳輸，直到傳輸完成，或主機發送了新的命令。

SD模式有4根數據線，一次可以傳輸半個字節，兩次一個字節。他們的傳輸方式如下圖：

同樣是先傳MSB，再傳LSB，一次傳半個字節，這樣做可以方便主機做位移組合成一個字節。如果每條線單獨傳一個字節，則需要移位8次才可以獲得一個完整的byte。

3.3 狀態轉換

下圖為SD卡狀態轉換圖。重新上電時為Idle狀態：

看起來這個狀態圖很復雜，其實我們要走的流程並不復雜。Linux驅動對SD卡做初始化會經過如下步驟：

CMD0上電重置到idle狀態（防止一些機型關機不掉電，如某些FPGA平台）->ACMD41獲取SD卡支持的電壓信息（還需要通過主機控制器設置電壓）->CMD2獲取卡商信息->CMD3請求SD卡發布相對地址->CMD9獲取CSD寄存器，即卡的電氣特性數據（需要使用SD卡相對地址）->CMD7通過相對地址選擇對應的SD卡，該卡進入數據傳輸Transfer State狀態->各種CMD進行block讀寫

3.4 流程差異

不同種類的卡初始化過程是不一樣的，通過流程差異我們可以判斷不同類型的卡。

SDIO：CMD0之后執行CMD5，CMD5只有SDIO類型才會有響應。

MMC：ACMD 41換為CMD1，ACMD類命令只有SD或SDIO卡才有響應。所以要先檢測是否是SDIO，再檢測是否是SD，最后檢測是否是MMC（core層代碼中也是這個順序），否則會出現誤判。

 

4. SD卡寄存器

SD卡一共有6個寄存器，我們用的對多的是CID（卡商信息），RCA（相對地址）和OCR（電壓信息）：

CID：卡信息：生產商，OEM，產品名，版本，出產日期，CRC校驗（所有寄存器都有，下同），常用
RCA：卡地址：在初始化時發布，用於與host通信，0x0000表示與所有卡通信，常用
DSR：驅動相關，總線電流大小，上升沿時間，最大開啟時間，最小開啟時間
CSD：數據傳輸要求：包括讀寫時間，讀寫電壓最大最低值，寫保護，塊讀寫錯誤
SCR：特性支持，如CMD支持，總線數量支持
OCR：支持的電壓，常用
SSR：特有特性，卡類型（OTP，SD等），一次擦除塊數量
CSR：R1返回指令的卡狀態，此寄存器用與傳輸卡狀態給host

命令系統中有對應的指令獲取這6個寄存器。

 

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