SD协议-基本概念

1.SD协议版本

• SD 1.1
• SD 2.0
• SD 3.0
  
  在看协议的时候,需要注意协议的版本,注意版本之间的差别
• SD协议是常见的数据通信和存储卡之间的协议
• HDMI是显示相关的协议,遵循HDMI协议
• USB遵循USB协议,USB3.0协议的复杂度高于USB2.0
• 主要学习的是协议的分析方法
  
  

2.system feature

SD存储芯片的技术特点

• SD Card是slave,SD Host是Master,对SD Card进行操作
• SD Host是存在与SoC中的一个主控设备,进行读写取外围的SD Card中的数据
  
  
• 信号线是连接到芯片的IO上进行传输的,一般而言,信号线不是很多
  
  
  
  
  
  
  
  

3.SD Card总线介绍

• data可以从sd host到sd card也可以从sd card传到sd host,并且是双向的总线
• 数据传输是以block为单位的,数据传输的时候要跟着crc,多个block数据传输的时候,需要使用一个stop command进行停止传输,单个block传输不需要stop command
• 如果SD Host想要去访问SD卡,从cmd总线上发送命令(复位\IDLE)
• 命令分为两种:一种是当前的命令是不需要响应的,单向传输;另外一种是当前的命令需要SD卡进行响应,双向传输
• CMD是三态总线:总线上挂接的器件可以接收总线的数据和指令,也可以控制总线,还可以不接收总线的数据和指令(从总线上断开),通过输出0,1,z进行控制状态
• cmd总线是1bit,上面挂载着SD Host,SD Card0,SD Card1 ....
• 默认情况下SD card处于被动接收命令的状态,同一时间只有一个模块能够控制三态总线,最初的时候是SD Host控制总线
  
  
• SD Host会通过总线发出命令,根据地址找到SD Card,然后SD Card接收到指令之后会做出响应,如果要响应数据,需要SD Card在某个时刻控制总线(输出0,1)
  
  

• cmd可以从SD Host传给一个SD card (address command),还可以由一个SD Host传给多个SD Card -- (Broadcast command)
  
  
• 读写都是以block为单位操作
• Data最多是4bit
• busy - 写操作的时候,先将数据写到sd card中的buffer中,然后再将buffer中的数据写到sd card中;从buffer写到sd card的时间比较长,写的过程中可以返回busy(data[0]拉低)
  
  
  
  
  
  
• 在任意情况下,start bit都是0,在command的角度,不发command的时候,总线上都是1(高阻状态),当总线上出现0的时候表示cmd传输
• transmitter bit:0表示从card->host,1表示从host->card

4.传递数据

• 传递一笔数据或cmd,每一笔数据是8bit(1byte),每一笔数据是如何传的?传递数据的时候是从最高位到最低位传递
• 信号有两种模式:一种4bit全部都用,另一种只用其中1bit
  
  
  
  

5.SD Card

• RCA - 相对卡的地址,SD Host想要读取卡中的数据,发送的指令中携带RCA值,可以用于标记卡的地址,唯一标识卡;卡收到命令之后,发现是自己的RCA,会进行一个响应
• RCA - 上电之后sd card的RCA都可能不同,将RCA值发送给host,host下次发送命令会携带RCA
• DSR - SD 卡驱动水平寄存器
• CSD - SD 卡的规格信息
• SCR - SD 卡的配置信息
• OCR - SD 卡操作信息
• SSR - SD 状态信息
• CSR - Card的状态信息

• sd card上下电之后会进行reset,上电之后通过上电检测电路进行sd card的reset,硬件复位
• 软件复位通过sd host发送CMD0
  
  
• address command -- 一对一的命令,根据RCA进行区分
• broadcast command -- 一对多的命令,将命令广播到所有的卡
• 上电之后,SD卡首先处于识别状态,复位的时候会处于SD卡识别状态;等待SD Host进行一些适配,SD Host会发送一些识别的命令(电压及是否busy等);当SD卡和SD Host进行适配之后,SD Host会发送一个CMD3,SD卡接收到CMD3命令之后会发出一个RCA,SD Host接收到RCA之后可以进行其他操作
• SD卡发送RCA之后,进入数据传输状态data transfer mode,就可以接收SD Host的请求,进行数据传输
  
  

• 当SD Host发送的电压等信息,SD卡接收到之后发现不匹配,SD卡就会处于inactive状态(无效状态)
• identification mode和data transfer mode都有一些状态
• standby - 等待状态
• transfer - 具备传输能力状态
• sending - data - 读
• receiving data and programming - 写
• disconnect - RCA不匹配,等待重新匹配
  
  
  
  
  
  

SD卡的状态机

• SD卡初始状态时IDLE状态
• SD Host发送CMD8,SD卡接收到CMD8之后会进行物理规格版本的验证,进行适配
• SD 卡上电之后会进行初始化,初始化后会对SD卡中表示busy状态的寄存器进行更新
• SD Host发送ACMD41,SD卡会将当前卡是不是busy的状态信息返回给SD Host,同时,SD卡接收到ACMD41的时候,会进行电压范围的核对,如果SD卡的电压和SD Host的电压不适配,SD卡会进入inactive state
• ACMD - Application,ACMD41 - SD卡会返回寄存器的值,表示卡是不是上电完成,卡在完成上电之后,会更改相应寄存器的值;ACMD41包含了SD Host具体的电压范围
• **当SD卡接收到ACMD41并且不处于busy状态,SD卡就会进入ready status,可以进行相应的处理
• SD Host发送CMD2,SD卡,SD卡接收到CMD2,会返回一些信息(CID)给SD Host,SD Host拿到这些信息之后可以进行一些判断,然后SD卡就进入identification state,表示卡已经完成了初步的识别**
• SD Host会发送CMD3,SD卡会返回一个RCA,当SD卡发送RCA之后,SD卡从identification state转到到data transfer state
• data transfer state具备初步传输数据的能力
• standby模式可以看作是SD卡data transfer state的空闲状态,在standby模式下,如果接收到来自SD Host的CMD3,就可以发送一个新的RCA
• 在任何状态下,接收到SD Host的CMD0命令,SD卡会恢复到IDLE状态,SD卡恢复到IDLE状态并不是复位,复位是对寄存器的值进行复位,这里是对SD卡的状态机进行复位
• SD卡的状态机和Sd Host的状态机是不同的,根据SD卡的状态转移来决定SD Host的状态
  
  
• 上电之后,SD卡处于输入状态,只作为slave进行接收信息
• 上电之后,所有的SD card的RCA值是0x0000,SD card收到CMD3之后,会重新发布RCA,然后更新寄存器的值
• 上电之后,SD card还有一个默认的driver stage register的值
• 上电之后,sd card和host之间不知道是否支持当前电压,所以通过CMD0进行复位的时候,host会在CMD0中携带一个电压值;可以使用CMD8检查sd card是不是支持当前电压
• inactive状态只能通过硬件复位实现
  
  
• ACMD41,进一步核对电压是不是匹配,SD卡会返回OCR(operation condition register)寄存器的值给SD Host,OCR中有1bit表示当前卡是不是上电完成,是不是busy
• 在发送ACMD指令之前都要跟一条CMD55,告诉SD卡下一条指令是ACMD类型的指令;CMD55会携带一个RCA值0x0000
  
  
• CMD2-获取SD卡的id,通知SD卡将CID返回给Host,Host可以进行判断,将CID存储起来,建立与RCA的对应关系,可以得到确定的身份令牌
  
  
• card在identification mode下频率是fod,频率比较低,在data transfer mode下的频率为fpp,频率比较快
• Data transfer mode下,host通过发送cmd9,get CSD,cmd4设置DSR,此时会切换时钟频率,cmd7用于选择某一张卡进入到transfer mode,cmd7中可以携带RCA,然后card根据RCA转到transfer mode下,cmd7如果发送的RCA为0x0000,所有的卡都会回到standyby的状态下

6.总结

1. Idle state
   
   CMD8
   
   CMD55
   
   ACMD41
   
   CMD0
   
   2.Ready Status/Inactive Status
   
   CMD2
   
   3.Card Identification state
   
   CMD3
   
   4.Data transfer state/Stand by state(Date transfer状态的空闲态)
   
   CMD3