一、SD卡简介

SD卡的英文全称是Secure Digital Card，即安全数字卡（又叫安全数码卡），是在MMC卡（Multimedia Card，多媒体卡）的基础上发展而来，主要增加了两个特色：更高的安全性和更快的读写速度。

SD卡和MMC卡的长度和宽度都是32mm x 24mm，不同的是，SD卡的厚度为2.1mm，而MMC卡的厚度为1.4mm，SD卡比MMC卡略厚，以容纳更大容量的存贮单元，同时SD卡比MMC卡触点引脚要多，且在侧面多了一个写保护开关。

SD卡与MMC卡保持着向上兼容，也就是说，MMC卡可以被新的SD设备存取，兼容性则取决于应用软件，但SD卡却不可以被MMC设备存取。SD卡和MMC卡可通过卡片上面的标注进行区分，如下图左侧图片上面标注为“MultiMediaCard”字母样式的为MMC卡，右侧图片上面标注为“SD”字母样式的为SD卡。

SD卡从存储容量上分为3个级别，分别为：SD卡、SDHC卡（Secure Digital High Capacity，高容量安全数字卡）和SDXC卡（SD eXtended Capacity，容量扩大化的安全存储卡）。

SD卡在MMC卡的基础上发展而来，使用FAT12/FAT16文件系统，SD卡采用SD1.0协议规范，该协议规定了SD卡的最大存储容量为2GB；SDHC卡是大容量存储SD卡，使用FAT32文件系统，SDHC卡采用SD2.0协议规范，该协议规定了SDHC卡的存储容量范围为2GB至32GB；SDXC卡是新提出的标准，不同于SD卡和SDHC卡使用的FAT文件系统，SDXC卡使用exFAT文件系统，即扩展FAT文件系统。SDXC卡采用SD3.0协议规范，该协议规定了SDXC卡的存储容量范围为32GB至2TB（2048GB），一般用于中高端单反相机和高清摄像机。

 

不同协议规范的SD卡有着不同速度等级的表示方法：

SD1.0协议规范中（现在用的较少），使用“X”表示不同的速度等级；

SD2.0协议规范中，使用SpeedClass表示不同的速度等级：普通卡（Class2、Class4、Class6）和高速卡（Class10）

SD3.0协议规范使用UHS（Ultra High Speed）表示不同的速度等级：UHS速度等级1和3

 

SD卡共有9个引脚线，可工作在SDIO模式或者SPI模式。

在SDIO模式下，共用到CLK、CMD、DAT[3:0]六根信号线；

在SPI模式下，共用到CS（SDIO_DAT[3]）、CLK（SDIO_CLK）、MISO（SDIO_DAT[0]）、MOSI （SDIO_CMD）四根信号线。

市面上除标准SD卡外，还有MicroSD卡（原名TF卡），是一种极细小的快闪存储器卡，是由SanDisk(闪迪)公司发明，主要用于移动手机。MicroSD卡插入适配器（Adapter）可以转换成SD卡，其操作时序和SD卡是一样的。

 

标准SD卡2.0版本中，工作时钟频率可以达到50Mhz，在SDIO模式下采用4位数据位宽，理论上可以达到200Mbps（50Mx4bit）的传输速率；在SPI模式下采用1位数据位宽，理论上可以达到50Mbps的传输速率。因此SD卡在SDIO模式下的传输速率更快，同时其操作时序也更复杂。

 

对于使用SD卡读取音乐文件和图片来说，SPI模式下的传输速度已经能够满足我们的需求，因此我们采用SD卡的SPI模式来对SD卡进行读写测试。

 

SD卡在正常读写操作之前，必须先对SD卡进行初始化，SD卡的初始化过程就是向SD中写入命令，使其工作在预期的工作模式。在对SD卡进行读写操作时同样需要先发送写命令和读命令。

SD卡的命令格式由6个字节组成，发送数据时高位在前，SD卡的写入命令格式如下图所示：

Byte1：命令字的第一个字节为命令号（如CMD0、CMD1等），格式为“0 1 x x x x x x”。命令号的最高位始终为0，是命令号的起始位；次高位始终为1，是命令号的发送位；低6位为具体的命令号（如CMD55，8’d55 = 8’b0011_0111，命令号为 0 1 1 1 0 1 1 1 = 0x77）。

Byte2~Byte5：命令参数，有些命令参数是保留位，没有定义参数的内容，保留位应设置为0。

Byte6：前7位为CRC（循环冗余校验）校验位，最后一位为停止位0。SD卡在SPI模式下默认不开启CRC校验，在SDIO模式下开启CRC校验。也就是说在SPI模式下，CRC校验位必须要发，但是SD卡会在读到CRC校验位时自动忽略它，所以校验位全部设置为1即可。需要注意的是，SD卡上电默认是SDIO模式，在接收SD卡返回CMD0的响应命令时，拉低片选CS，进入SPI模式。所以在发送CMD0命令的时候，SD卡处于SDIO模式，需要开启CRC校验。另外CMD8的CRC校验是始终启用的，也需要启用CRC校验。除了这两个命令，其它命令的CRC可以不用做校验。

 

SD卡的命令分为标准命令（如CMD0）和应用相关命令（如ACMD41）。ACMD命令是特殊命令，发送方法同标准命令一样，但是在发送应用相关命令之前，必须先发送CMD55命令，告诉SD卡接下来的命令是应用相关命令，而非标准命令。发送完命令后，SD卡会返回响应命令的信息，不同的CMD命令会有不同类型的返回值，常用的返回值有R1类型、R3类型和R7类型（R7类型是CMD8命令专用）。SD卡的常用命令说明如下表（表 39.1.2）所示。

SD卡返回类型R1数据格式如下图所示：

由上图可知，SD卡返回类型R1格式共返回1个字节，最高位固定为0，其它位分别表示对应状态的标志，高电平有效。

SD卡返回类型R3数据格式如下图所示：

由上图可知，SD卡返回类型R3格式共返回5个字节，首先返回的第一个字节为前面介绍的R1的内容，其余字节为OCR（Operation Conditions Register，操作条件寄存器）寄存器的内容。

SD卡返回类型R7数据格式如下图所示：

由上图可知，SD卡返回类型R7格式共返回5个字节，首先返回的第一个字节为前面介绍的R1的内容，其余字节包含SD卡操作电压信息和校验字节等内容。其中电压范围是一个比较重要的参数，其具体内容如下所示：

Bit[11:8]：操作电压反馈

0：未定义

1：2.7V~3.6V

2：低电压

4：保留位

8：保留位

其它：未定义

 

SD卡在正常读写操作之前，必须先对SD卡进行初始化，使其工作在预期的工作模式。SD卡1.0版本协议和2.0版本协议在初始化过程中有区别，只有SD2.0版本协议的SD卡才支持CMD8命令，所以响应此命令的SD卡可以判断为SD2.0版本协议的卡，否则为SD1.0版本协议的SD卡或者MMC卡；对于CMD8无响应的情况，可以发送CMD55 + ACMD41命令，如果返回0，则表示SD1.0协议版本卡初始化成功，如果返回错误，则确定为MMC卡；在确定为MMC卡后，继续向卡发送CMD1命令，如果返回0，则MMC卡初始化成功，否则判断为错误卡。

 

由于市面上大多采用SD2.0版本协议的SD卡，接下来我们仅介绍SD2.0版本协议的初始化流程，以下提到的SD卡均代表基于SD2.0版本协议的SDHC卡，其详细初始化步骤如下：

1. SD卡完成上电后，主机FPGA先对从机SD卡发送至少74个以上的同步时钟，在上电同步期间，片选CS引脚和MOSI引脚必须为高电平（MOSI引脚除发送命令或数据外，其余时刻都为高电平）；
2. 拉低片选CS引脚，发送命令CMD0（0x40）复位SD卡，命令发送完成后等待SD卡返回响应数据；
3. SD卡返回响应数据后，先等待8个时钟周期再拉高片选CS信号，此时判断返回的响应数据。如果返回的数据为复位完成信号0x01，在接收返回信息期间片选CS为低电平，此时SD卡进入SPI模式，并开始进行下一步，如果返回的值为其它值，则重新执行第2步；
4. 拉低片选CS引脚，发送命令CMD8（0x48）查询SD卡的版本号，只有SD2.0版本的卡才支持此命令，命令发送完成后等待SD卡返回响应数据；
5. SD卡返回响应数据后，先等待8个时钟周期再拉高片选CS信号，此时判断返回的响应数据。如果返回的电压范围为4’b0001即2.7V~3.6V，说明此SD卡为2.0版本，进行下一步，否则重新执行第4步；
6. 拉低片选CS引脚，发送命令CMD55（0x77）告诉SD卡下一次发送的命令是应用相关命令，命令发送完成后等待SD卡返回响应数据；
7. SD卡返回响应数据后，先等待8个时钟周期再拉高片选CS信号，此时判断返回的响应数据。如果返回的数据为空闲信号0x01，开始进行下一步，否则重新执行第6步。
8. 拉低片选CS引脚，发送命令ACMD41（0x69）查询SD卡是否初始化完成，命令发送完成后等待SD卡返回响应数据；
9. SD卡返回响应数据后，先等待8个时钟周期再拉高片选CS信号，此时判断返回的响应数据。如果返回的数据为0x00，此时初始化完成，否则重新执行第6步。

 

SD卡上电及复位命令时序如下图所示：

至此，SD卡完成了复位以及初始化操作，进入到SPI模式的读写操作。需要注意的是：SD卡在初始化的时候，SPI_CLK的时钟频率不能超过400KHz，在初始化完成之后，再将SPI_CLK的时钟频率切换至SD卡的最大时钟频率。

 

尽管目前市面上的很多SD卡支持以较快的时钟频率进行初始化，为了能够兼容更多的SD卡，在SD卡初始化的时候时钟频率不能超过400KHz。SD卡读写一次的数据量必须为512字节的整数倍，即对SD卡读写操作的最少数据量为512个字节。我们可以通过命令CMD16来配置单次读写操作的数据长度，以使每次读写的数据量为（n*512）个字节（n≥1），本次SD卡的读写操作使用SD卡默认配置，即单次读写操作的数据量为512个字节。

 

SD卡初始化完成后，即可对SD卡进行读写测试，SD卡的读写测试是先向SD卡中写入数据，再从SD卡中读出数据，并验证数据的正确性。SD卡的写操作时序图如下图所示：

 

SD卡的写操作流程如下：

1. 拉低片选CS引脚，发送命令CMD24（0x58）读取单个数据块，命令发送完成后等待SD卡返回响应数据；
2. SD卡返回正确响应数据0x00后，等待至少8个时钟周期，开始发送数据头0xfe；
3. 发送完数据头0xfe后，接下来开始发送512个字节的数据；
4. 数据发送完成后，发送2个字节的CRC校验数据。由于SPI模式下不对数据进行CRC校验，直接发送两个字节的0xff即可；
5. 校验数据发送完成后，等待SD卡响应；
6. SD卡返回响应数据后会进入写忙状态（MISO引脚为低电平），即此时不允许其它操作。当检测到MISO引脚为高电平时，SD卡此时退出写忙状态；
7. 拉高CS引脚，等待8个时钟周期后允许进行其它操作。

 

SD卡的读操作时序图如下图所示：

 

SD卡的读操作流程如下：

1. 拉低片选CS引脚，发送命令CMD17（0x51）读取单个数据块，命令发送完成后等待SD卡返回响应数据；
2. SD卡返回正确响应数据0x00后，准备开始解析SD卡返回的数据头0xfe；
3. 解析到数据头0xfe后，接下来接收SD卡返回的512个字节的数据；
4. 数据解析完成后，接下来接收两个字节的CRC校验值。由于SPI模式下不对数据进行CRC校验，可直接忽略这两个字节；
5. 校验数据接收完成后，等待8个时钟周期；
6. 拉高片选CS引脚，等待8个时钟周期后允许进行其它操作。

 

对于SD卡的SPI模式而言，采用的SPI的通信模式为模式3，即CPOL = 1，CPHA = 1，在SD

卡2.0版本协议中，SPI_CLK时钟频率可达50Mhz。

 

以上是SD卡简介部分的全部内容，在这里还需要补充下FAT文件系统的知识。如果对SD卡的读写测试像EEPROM一样仅仅是写数据，读数据并验证数据的正确性的话，是不需要FAT文件系统的。而SD卡经常被用来在Windows操作系统上存取数据，必须使用Windows操作系统支持的FAT文件系统才能在电脑上正常使用。

 

FAT（File Allocation Table，文件分配表）是Windows操作系统所使用的一种文件系统，它的发展过程经历了FAT12、FAT16、FAT32三个阶段。FAT文件系统用“簇”作为数据单元，一个“簇”由一组连续的扇区组成，而一个扇区由512个字节组成。簇所包含的扇区数必须是2的整数次幂，其扇区个数最大为64，即32KB（512Byte * 64 = 32KB）。所有的簇从2开始进行编号，每个簇都有一个自己的地址编号，用户文件和目录都存储在簇中。

 

FAT文件系统的基本结构依次为：分区引导记录、文件分配表（FAT表1和FAT表2）、根目录和数据区。

• 分区引导记录：分区引导记录区通常占用分区的第一个扇区，共512个字节。包含四部分内容：BIOS参数记录块BPB（BIOS Parameter Block）、磁盘标志记录表、分区引导记录代码区和结束标志0x55AA。
• 文件分配表（FAT表1和FAT表2）：文件在磁盘上以簇为单位存储，但是同一个文件的数据并不一定完整地存放在磁盘的一个连续的区域内，往往会分成若干簇，FAT表就是记录文件存储中簇与簇之间连接的信息，这就是文件的链式存储。对于FAT16文件系统来说，每个簇用16Bit来表示文件分配表，而对于FAT32文件系统，使用32Bit来表示文件分配表，这是两者之间的最重要区别。
• 根目录：根目录是文件或者目录的首簇号。在FAT32文件系统中，不再对根目录的位置做硬性规定，可以存储在分区内可寻址的任意簇内。不过通常根目录是最早建立的(格式化就生成了)目录表，所以我们看到的情况基本上都是根目录首簇紧邻FAT2，占簇区顺序上的第1个簇（即2号簇）。
• 数据区：数据区紧跟在根目录后面，是文件等数据存放的地方，占用大部分的磁盘空间。