【Linux驱动学习】SD卡规范学习

摘要：

学习SD卡的相关规范，包括定义，硬件特性，数据传输，命令系统等。不涉及代码。

文章针对Linux驱动开发而写，以助于理解SD卡驱动，不会涉及过多硬件内容。

纲要：

1. SD卡介绍

2. SD卡硬件规范

3. SD卡指令规范

4. SD卡寄存器

1. SD卡介绍

1.1 各类型储存卡/接口

首先了解一下我们在SD卡驱动学习中会碰到的主要几个储存卡名词：

SD：Security Digital Memory Card，新一代多媒体储存卡，高速，安全（但安全机制貌似很少用到）
MMC：Multimedia Card，SD卡的上一代多媒体储存卡，已基本被SD卡代替
eMMC：Embedded Multimedia Card，内嵌式存储器，一般焊在PCB上。内置主控制器，以实现统一MMC接口（在传统MMC接口上拓展，集成了整套理论），Nand Flash就是eMMC
SDIO：Secure Digital Input and Output Card，SD标准上定义了一种外设接口，有很多设备模块采用。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个堆叠的卡
• SD模式和SPI模式
• 可变时钟（0～25MHz），可变电压（2.0～3.6V）
• 带电插拔保护
• 安全系统，双方认证和“新的密码算法”技术

更多的特性请阅读SD卡官方规范。

2. SD卡硬件规范

2.1 SD卡物理接口

下图是SD卡和MMC卡的针脚：

可以看到，SD卡在MMC卡基础上增加了8、9两个针脚，这两个针脚将被用作数据传输，以支持SD传输模式。SD卡支持SD模式（4数据线）和SPI模式（2数据线），MMC卡只支持SPI模式。

SD卡针脚对应的功能：（SD模式）

SD模式：数据并行传输，2地，1电源，1时钟，1命令，4数据线（4出入）（SD模式的命令通过命令线传输）
SPI模式：数据串行传输，2地，1电源，1时钟，1片选，2数据线（1入1出）（SPI模式的命令通过数据线传输）

以下内容，如无分开说明，默认指SD模式。（本文不会涉及SPI模式学习）

2.2 SD卡与主机的连接

SD模式和SPI模式中与主机的连接拓扑图如下：

在SD模式中，数据线和命令线是分开连接到主机各GPIO口中的。在SPI模式中，片选线分别连接到主机各GPIO口，数据线在同一条总线上。

因为SPI模式的数据线在同一总线上，所以需要片选来选择不同的储存卡；SD模式分别连接到主机，不需要片选线。

3. SD卡命令规范

3.1 命令类型

SD卡有数十种指令，但无非都是一些获取信息，数据传输的功能，并不会很难理解。规范书上有详细的状态转换图，下面会有介绍。

下面是4种指令类型：

• 广播指令，无应答(代号bc)：发送完此类命令后，并不会有反馈，但操作已经生效。
• 广播指令，有应答(代号bcr)：发送完此类命令后，SD卡会给予反馈。可能是一些寄存器信息，可能是
• 寻址（点对点）指令(代号ac)：发送完此类命令后，只有指定地址的SD卡会给予反馈（地址通过命令请求SD卡发布，是唯一的）。此时DAT线上无数据传输。
• 寻址（点对点）数据传输指令(adtc)：发送完此类命令后，只有制定地址的SD卡会给予反馈。此时DAT线上有数据传输。

3.2命令表

官方文档将命令分成了好几种功能。下面将所有命令列出，仅作查阅了解用，不需要每个命令都记住：

基础命令：用于重置、切换SD卡状态，获取相关信息

读块命令：读单个、多个块数据，设置块长度

写块命令：写单个、多个块数据，设置块长度

擦除块命令：把对应的块数据擦除

写保护命令：设置、取消对应地址的数据的写保护，可以使其他程序无法写入指定的地址，达到保护目的。用的情况不太多。

锁卡命令：设置、取消锁卡。锁卡后需要密码才能访问SD卡。

应用特殊命令：CMD55，使用ACMD前必须先发送的命令；CMD56是标准的读、写命令，会读、写一个block的数据。

SDIO命令：预留给SDIO设备使用（CMD5也是预留给SDIO设备），在SD卡官方文档中没有说明具体用途

SD卡专用命令：MMC卡无法使用这些命令，里面包括如设置数据总线位宽，获取SD卡信息（寄存器）。

3.2 命令/数据传输方式

命令的传输协议大致如下：

• 0开头，1结尾
• 大端传输：先MSB，最后LSB
• CRC校验

下面这幅图是无响应和无数据两种命令的传输情况：

非常清晰易懂，就不赘述了。

下面这幅图是多块数据读的数据传输情况：

主机发送多块读命令时，首先sd卡会做出回应，同时准备数据。数据准备完成后开始发送，并在每个block传输完成后加入crc校验码。传输完一个block和crc后紧跟着下一个block的数据传输，直到传输完成，或主机发送了新的命令。

SD模式有4根数据线，一次可以传输半个字节，两次一个字节。他们的传输方式如下图：

同样是先传MSB，再传LSB，一次传半个字节，这样做可以方便主机做位移组合成一个字节。如果每条线单独传一个字节，则需要移位8次才可以获得一个完整的byte。

3.3 状态转换

下图为SD卡状态转换图。重新上电时为Idle状态：

看起来这个状态图很复杂，其实我们要走的流程并不复杂。Linux驱动对SD卡做初始化会经过如下步骤：

CMD0上电重置到idle状态（防止一些机型关机不掉电，如某些FPGA平台）->ACMD41获取SD卡支持的电压信息（还需要通过主机控制器设置电压）->CMD2获取卡商信息->CMD3请求SD卡发布相对地址->CMD9获取CSD寄存器，即卡的电气特性数据（需要使用SD卡相对地址）->CMD7通过相对地址选择对应的SD卡，该卡进入数据传输Transfer State状态->各种CMD进行block读写

3.4 流程差异

不同种类的卡初始化过程是不一样的，通过流程差异我们可以判断不同类型的卡。

SDIO：CMD0之后执行CMD5，CMD5只有SDIO类型才会有响应。

MMC：ACMD 41换为CMD1，ACMD类命令只有SD或SDIO卡才有响应。所以要先检测是否是SDIO，再检测是否是SD，最后检测是否是MMC（core层代码中也是这个顺序），否则会出现误判。

4. SD卡寄存器

SD卡一共有6个寄存器，我们用的对多的是CID（卡商信息），RCA（相对地址）和OCR（电压信息）：

CID：卡信息：生产商，OEM，产品名，版本，出产日期，CRC校验（所有寄存器都有，下同），常用
RCA：卡地址：在初始化时发布，用于与host通信，0x0000表示与所有卡通信，常用
DSR：驱动相关，总线电流大小，上升沿时间，最大开启时间，最小开启时间
CSD：数据传输要求：包括读写时间，读写电压最大最低值，写保护，块读写错误
SCR：特性支持，如CMD支持，总线数量支持
OCR：支持的电压，常用
SSR：特有特性，卡类型（OTP，SD等），一次擦除块数量
CSR：R1返回指令的卡状态，此寄存器用与传输卡状态给host

命令系统中有对应的指令获取这6个寄存器。

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