SD卡 SPI模式操作（1）初始化SD卡

作者是初学者，水平有限，本文仅作为个人学习笔记使用，不能保证内容的正确性。部分资料来源于网络，参考了SD卡协议2.0手册等资料，如果有歧义，可以与作者联系。

目录

SD卡 SPI模式操作（1）初始化SD卡
SD卡 SPI模式操作（2）读操作
SD卡 SPI模式操作（3）写操作

省流直接看图，文章下面有比较详细的初始化流程

常见问题

1、 为什么发送初始化命令之后，SD卡一直返回0xFF？

作者亲自遇到过这个问题，我的工具是某宝上十几块钱的逻辑分析仪，芯片是CH32V203C8T6，开发板长这样子的

首先检查线路的连接，MCU的MISO连接SD卡的DO，MOSI连接SD卡的DI，如果MCU有多个SPI外设，一定要看清楚SD卡连接的是哪个SPI。
最有效的方法，就是用逻辑分析仪连接到SD卡所连接的线路上，看有没有信号输出。
确定线路连接正常之后，再检查上电需要的时钟信号是否正确，必须在100k~400kHz的频率之间，如果你的MCU主频设置过高，如144MHz，就算SPI用256级的分频，依然是非常大的。144MHz分频256次：
$$\frac{MCU主频}{SPI分频数}=\frac{144MHz}{256}=562.5Kbit/s$$
所以在合适的主频下，选择合适的SPI分频数。初始化完成之后，再调高SPI的主频，用于数据通信。
最后一个办法，可以检查初始化步骤是否在上电时操作。
有些开发板上的SD卡槽的电源，是直接连接开发板电源，所以要求SD卡初始化的操作必须在开发板刚上电时完成。但是调试时，一般只会让MCU复位而不会让开发板断电，从而SD卡无法进入初始化模式。
在这种情况下，我建议每次下载完程序之后，让开发板重新上电，或者先购买一个SD卡模块，让GPIO控制SD卡的上电，直到写完初始化部分的功能，代码能正常初始化SD卡之后，再换回开发板的卡槽。

2、关于TF卡

有些TF卡不支持SPI模式操作，这个需要注意，可以多准备几张卡。目前我的8G金士顿TF卡，这个没问题，但是我的32G闪迪没法进入SPI模式。

3、 MCU应该在什么时候发送命令？

SD卡的DO线，空闲的情况下应该是高电平，当SD卡忙的时候，DO线会被SD卡拉低，所以应该在DO线为高电平的时候，发送命令。

简介

SPI模式是MCU在没有SDIO的情况下控制MMC和SD卡的备用操作模式。比起SDIO模式，SPI模式的传输协议稍微简单一些，代价是传输速度也会变慢。

引脚说明

（图片来源于网络）

引脚设置

在SPI模式下使用SD卡，按照SD卡的要求正确接线之后，需要将MCU的引脚进行如下设置：

SD引脚	MCU引脚	MCU引脚模式
CS	NSS	复用推挽输出
SCLK	SCK	复用推挽输出
DI	MOSI	复用推挽输出
DO	MISO	浮空输入
VDD	(任意引脚)	复用推挽输出
VSS	GND	–

其中，SD卡的VDD可以使用一个引脚去控制SD卡的电源，从而使用MCU控制SD卡上电。
注意，有些SD卡的DO引脚需要一个上拉电阻，否则会在初始化的过程中失败。

SPI模式设置

SD卡使用的是SPI模式0（CPHA=0，CPOL=0）和SPI模式3（CPHA=1，CPOL=1），一般情况下选择SPI模式3。命令发送模式为高位优先（MSB-first）。

报文格式

从主机到卡的命令帧的长度是下图所示的固定长度的报文。

在SPI通信模式下，数据通信由主机控制，形式为：主机拉低NSS信号，发送命令令牌，SD卡发送响应令牌，如果需要返回数据，那么数据将跟在响应令牌后面。
发送完命令之后，应该继续发送0xFF，并且检查是否收到可用的应答。如果在设定时间内没有收到回应，那么视作超时处理。在收到应答之前，应该将NSS保持低电平。

命令令牌格式

SPI模式的命令令牌固定为6个字节，命令的传输从最高位开始。

位号	47	46	[45:40]	[39:8]	[7:1]	0
位宽	1	1	6	32	7	1
值	“0”	“1”	x	x	x	“1”
描述	开始位	数据传输位	命令号（CMDx）	参数	CRC校验	结束位

其中，在SPI模式下，CRC仅在初始化卡时有效，如CMD0、CMD8等。不使用CRC时，可将CRC所有位置1。
当命令为CMD0时，低8位应该为0x95，
当命令为CMD8时，低8位应该为0x87。

命令令牌描述

命令令牌分为CMD和ACMD，ACMD是应用程序命令，在发送ACMD之前，应该先发送CMD55（APP_CMD）。填充位和保留位均为"0"。

命令号	参数	响应	名称	描述
CMD0	[31:0]：填充位	R1	GO_IDLE_STATE	将卡复位到IDLE状态
CMD8	[31:12]：保留位，[11:8]：支持的电压（VHS），[7:0]：需要回显的参数（echo-back）	R7	SEND_IF_COND	发送包含主机电源电压信息，询问被访问的卡是否能在供电电压范围内工作
CMD12	[31:0]：填充位	R1b	STOP_TRANSMISSION	强制停止当前SD卡的数据传输，用于多块数据操作，结束传输
CMD16	[31:0]：块长度	R1	SET_BLOCKLEN	设置SD卡的块大小（字节），后续所有块操作命令（读和写）都是以此设置的大小为准，对于高容量卡，块大小固定为512字节
CMD17	[31:0]：数据地址，单位：字节（SDSC），单位:512字节（SDHC）	R1	READ_SINGLE_BLOCK	读取一个块的数据，参数为块的首地址。块的长度由CMD16设置，对于高容量卡，块大小固定为512字节
CMD18	[31:0]：数据地址，单位：字节（SDSC），单位:512字节（SDHC）	R1	READ_MULTIPLE_BLOCK	连续读取多块数据，直到主机发送CMD12命令，参数为块的首地址。块的长度由CMD16设置，对于高容量卡，块大小固定为512字节
CMD24	[31:0]：数据地址，单位：字节（SDSC），单位:512字节（SDHC）	R1	WRITE_BLOCK	写入一个块的数据，参数为块的首地址。块的长度由CMD16设置，对于高容量卡，块大小固定为512字节
CMD25	[31:0]：数据地址，单位：字节（SDSC），单位:512字节（SDHC）	R1	WRITE_MULTIPLE_BLOCK	连续写入多块数据，直到主机发送CMD12命令，参数为块的首地址。块的长度由CMD16设置，对于高容量卡，块大小固定为512字节
CMD55	[31:0]：填充位	R1	APP_CMD	通知SD卡，接下来发送的命令是特定于应用程序的命令，而不是标准命令
CMD58	[31:0]：填充位	R3	READ_OCR	读取OCR寄存器
ACMD23	[31:23]：保留位，[22:0]：数据块数	R1	SET_WR_BLK_ERASE_COUNT	需要预擦除的数据块个数，以提升SD卡写入的性能
ACMD41	[31]：保留位，[30]：HCS， [29:0]：保留位	R1	SD_SEND_OP_COND	发送主机容量支持信息，并将卡初始化，HCS一般置“1”

响应令牌格式

有几种类型的响应令牌，所有数据都是先传输高位。所有令牌的高8位都是R1令牌。

R１令牌

除SEND_STATUS命令外，SD卡在每次收到命令后都会发送此响应令牌。长度为１字节，MSB始终设置为"0"。[0:6]是错误指示，"1"为发生错误。

位号	描述
0	处于空闲状态：SD卡处于空闲状态，且正在运行初始化程序
1	擦除重置：在执行擦除前，一个擦除指令序列被清除，因为收到了一个超出擦除序列的指令。
2	非法指令
3	CRC错误：上一条命令的CRC检查失败
4	擦除序列错误：在擦除指令序列中发现错误
5	地址错误：命令中使用了与块长度不匹配的未对齐地址。
6	参数错误：命令的参数（例如地址、块长度）超出了此卡的允许范围。
7	固定为0

R1b令牌

该响应令牌与R1格式相同，但可选地添加了忙信号。忙信号令牌可以是任意数量的字节。零值表示卡正忙。非零值表示卡已准备好下一个命令。

R2令牌

通常情况下只会用到R2令牌的最低位，也就是卡被写保护。该令牌是CMD13（SEND_STATUS）的响应令牌。高8位为R1令牌。

R3令牌

该令牌是CMD58（READ_OCR）的响应令牌，共5个字节，用于获取OCR寄存器的数据。高8位为R1令牌，低4字节为OCR寄存器的数据。

R7令牌

该令牌是CMD8（SEND_IF_COND）的响应令牌，共5字节，主要用于获取SD卡工作电压信息，高8位为R1令牌。

位号	描述
[0:7]	发送CMD8时会发送一个1字节的参数echo-back，这里将返回这个参数，一般用于检查通讯是否正常。一般在CMD8使用10101010b作为参数
[8:11]	SD卡能接受的电压值（见电压值表，通常为0001b）
[12:27]	保留位，固定为“00000h”
[28:31]	命令号，固定为“001000b”

电压值如下：

值	描述
0000b	未定义
0001b	2.7-3.6V
0010b	保留为更加低的电压值
0100b	保留
1000b	保留

初始化SD卡

由于SD卡进入SPI模式后，只能通过断电退出，为了方便调试，建议使用GPIO控制SD卡的上电。

上电复位

SD卡上电之后，需要往sclk线发送至少74个时钟信号，注意频率在100k~400kHz之间，建议直接使用低速SPI发送10个0xFF，在此过程中，即使是为了进入SPI模式，CS线也需要保持高电平。
当SD卡上电完毕（可以延迟1ms）之后，需要发送CMD0进行复位操作。为了使SD卡进入SPI模式，需要将CS线拉低，然后发送CMD0，注意CMD0的格式，命令长度固定为6个字节。
对于CMD0命令，应该发送0x40、0x00、0x00、0x00、0x00、0x95，发送完毕之后还需要发送若干个0xFF等待SD卡响应。
当SD卡响应时，应该返回一个R1令牌，且内容为0x01。
接收完毕之后，应该拉高CS，然后再发送一个0xFF。

如果在此期间，SD卡一直没有返回R1令牌，MISO一直为0xFF，那么有以下几个点需要检查：
1、 检查当前复位操作是否为上电操作，该操作应该是SD卡刚上电时的操作。如果当前是个debug程序，应该将SD卡的VDD引脚接到MCU，由MCU控制SD卡的上电。
2、 检查SD卡的连接是否正确，MOSI和MISO是不是接反了？正确的接法是MOSI接DI，MISO接DO。
3、 检查上电时，SCLK的时钟是否发送正确，必须大于74个时钟，而且频率必须在100k~400kHz之间。

检查卡版本是否为Ver 1.X

通过发送一个CMD8命令，如果SD卡响应该命令无效，说明该卡的版本为Ver1.X。如果有响应，说明卡版本为Ver2.X或者更高的版本。
CMD8的参数一般为0x000001AA，SD卡收到响应之后，应该首先检查高8位，也就是R1令牌部分。
当R1的第二位，也就是 R1 & 0x0004为真时，该命令无效，说明卡版本为Ver1.X。
当CMD8有效时，应该抛弃剩余的4字节数据。

检查支持电压范围（可选）

主要通过CMD58命令获取OCR寄存器的信息，以获得SD卡的支持电压范围。

开始初始化SD卡

通过发送ACMD41命令去初始化SD卡。注意，在发送ACMD41之前，应该先发送CMD55命令，而且CMD55命令会响应一个R1令牌，此处的R1令牌可以直接抛弃。

对于Ver1.X版本的卡，ACMD41的参数应该为0x00000000；
对于Ver2.X以及更高版本的卡，ACMD41的参数一般使用0x40000000。

这时需要不断发送0xFF同时检查接收R1令牌（其实这里的等待接收步骤和CMD0一样），直到R1为0，表示SD卡初始化成功。这里的循环建议添加超时计数。

获取卡的容量状态

通过CMD58命令获取OCR寄存器的信息，其中CCS位位于OCR寄存器的第30位。
1为高容量卡（SDHC）
0为标准容量卡（SDSC）

设置块大小

SD卡的所有读写操作，都是以块为单位去读写，因此需要预先设置一个块的大小。
通过CMD16命令设置SD卡的块大小（字节），后续所有块操作命令（读和写）都是以此设置的大小为准，对于高容量卡，块大小固定为512字节。
对于低容量的卡，为了统一，一般建议将块大小设置为512字节。

结尾

SD卡初始化完成之后，可以将SPI总线切换成高速总线，将在下一章继续介绍SD卡的读操作。

参考文章

• 【翻译】如何使用MMC/SD卡
• SD卡寄存器及对应的CMD命令描述
• SD卡小结