SD卡协议

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分类专栏：接口协议 # SD卡文章标签： fpga开发 SD卡 SDIO接口 SPI接口

于 2024-09-25 21:37:27 首次发布

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SD卡协议

SD卡分类

根据存储容量

Standard Capacity SD Memory Card（SDSC）：容量 <= 2GB (2³¹ byte)
High Capacity SD Memory Card（SDHC）：2GB< 容量 <= 32GB (2³⁵ byte)
Extended Capacity SD Memory Card（SDXC）：32GB< 容量 <= 2TB (2⁴¹ byte)
Ultra Capacity SD Memory Card（SDUC）：2TB< 容量 <= 128TB (2⁴⁷ byte)

注：容量的单位 1MB = 1024x1024 B

根据性能

Class 0：未指定速率
Class 2：速率 >= 2MB/sec（默认速率模式）
Class 4：速率 >= 4MB/sec（默认速率模式）
Class 6：速率 >= 6MB/sec（默认速率模式）
Class 10：速率 >= 10MB/sec（高速模式）

注：性能的单位 1MB/sec = 1000x1000 B/sec

SD卡协议

简介

SD卡的协议是一种简单的命令/响应的协议。全部命令由主机发起，SD卡接收到命令后并返回响应数据。根据命令的不同，返回的数据内容和长度也不同。SD卡命令是一个 6 字节组成的命令包，其中第一个字节为命令号，命令号高位 bit7-6 为固定的 “01“，其它 6bit 为具体的命令号。第 2-5 字节为命令参数。第 6 个字节为 7bit 的 CRC 校验加 1bit 的结束位。如果在 SPI 模式的时候，CRC 校验位为可选。如下图所示，Command 表示命令，通常使用十进制表示名称，例如 CMD17，这个时候Command就是十进制的17。

SD卡对每个命令会返回一个响应，每个命令有一定的响应格式。响应的格式跟给它的命令号有关。

引脚

host 端将 CMD、DAT0-3 作为输入引脚，并且默认上拉

SPI 模式（SPI接口）

命令

命令格式

命令类别

不同功能命令归属于不同的类别
通过 CMD27 更改 CSD 寄存器中的 CCC 参数，但该寄存器只有部分参数可写，其余都是只读

在这里插入图片描述

CMD

在这里插入图片描述

ACMD

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响应

在 SPI 模式中，有 5 种响应格式：R1, R1b, R2, R3, R7，不同命令对应的响应格式也不一样，详细见上一章节“命令”。

R1

除了 bit0（in idle state），其余状态都是读清

在这里插入图片描述

R2

除了 bit0（Card is locked），其余状态都是读清

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R3

在这里插入图片描述

R7

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寄存器

SPI 模式除了不支持 RCA 寄存器，其余同 SD 模式一样

CSD

有三种不同寄存器定义，分别对应三种 SD 卡

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初始化流程

在这里插入图片描述

上电后延时至少 74 个 clock，等待 SD 卡内部操作完成
SD 卡上电默认是 SD 模式，通过拉低 CS 信号，然后发送 CMD0 命令，试图进入 SPI 模式。若响应 R1 值为 0x01 时，则进入 SPI 模式，否则还是 SD 模式；（进入 SPI 模式后只有重新上电才能进入 SD 模式）

读操作

SPI 模式支持单块读（CMD17）和多块读操作（CMD18）
对于标准容量卡，数据块的大小由 SET_BLOCKLEN 参数决定（CMD16）
对于 SDHC 和 SDXC 卡，数据块大小固定为 512B，起始地址必须与块边界对齐
每个数据块后面填充 16bit CRC 校验，使用标准 CCITT 多项式 X¹⁶ + X¹² + X⁵ +1
最大块长度固定为 512B，无论 READ_BL_LEN 参数值（CSD 寄存器），除非 READ_BL_PARTIAL 为 1，块长度才可以设置为 1-512B 任意大小
每个块不能跨物理扇区
多块读每一块都填充 16bit CRC 校验，通过 CMD12 停止多块读操作

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写操作

SPI 模式支持单块读（CMD24）和多块读操作（CMD25）
单块写时，每个数据块前需添加 “Start Block“；多块写只有第一块需要添加 ”Start Block“，但是最后一块需要添加 ”Stop Tran“
可通过 CMD13 查看写结果；通过 ACMD22 查看多块写时正确写入的块个数
当卡处于 busy 状态，置位 CS 信号不会中断写入进程，而且 busy 状态会忽略所有命令，除了 CMD0 可以复位卡，但是同时会破坏卡内数据（避免这样操作）

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Data Response
- 写每个数据块时，卡都会给 Data Response，格式如下：
- 多块写操作时遇到 CRC 或者 Write Error时，主机要发送 CMD12 停止数据传输
- 当遇到 Write Error 时，可通过 CMD13 查看写错误原因，并可通过 ACMD22 查看多块写时正确写入的块个数
Start Block、Stop tran
- 对于单块写、单/多块读
  - 第 1 byte：Start Block（8‘hFE）
  - byte 2-513（具体取决于块大小）：User data
  - 最后 2 byte：16bit CRC
- 对于多块写
  - 每个需要写入的数据块前面发送 1 Byte 的 Start Block（8’hFC）
  - 停止写操作发送 1 Byte 的 Stop Tran（8‘hFD）
  注：多块读通过发送 CMD12 停止读操作
Data Error
- 当读操作失败时，卡会响应 Data Error，格式如下：

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擦除&写保护

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SD 模式（SDIO接口）

命令

命令格式

SD 模式和 SPI 模式下的命令格式都一样。

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命令类别

不同功能命令归属于不同的类别

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CMD

class 0

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class 2

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class 4

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class 5

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class 6

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class 7

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class 8

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class 9

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class 10

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ACMD

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响应

在 SD 模式中，有 6 种响应格式：R1, R1b, R2, R3, R6, R7，不同命令对应的响应格式也不一样，详细见上一章节“命令”。

R1（normal response command）

常规响应，48bit，与命令格式相似。其中 [45:40] 填充与命令相同的命令号 (命令的命令号是什么，响应里就填充什么) 。[39:8] 为卡状态信息，CRC7则根据 [47:8] 位计算得到的。

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R1b

R1b响应与R1响应基本相同，区别在于R1b响应允许在数据线上传输一个可选的忙信号（busy signal）。这意味着在接收到某些命令后，根据卡在接收命令之前的状态，卡可能会变得忙碌。主机需要在响应时检查忙信号。

R2（CID/CSD寄存器）

CID寄存器的内容作为对命令CMD2和CMD10的响应被发送。CSD寄存器的内容作为对命令CMD9的响应被发送。只有CID和CSD的位[127:1]被传输，这些寄存器的保留位[0]被响应的结束位所取代。

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R3（OCR寄存器）

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R6（Published RCA response）

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R7（Card interface condition)）

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寄存器

OCR

可通过 ACMD41 命令返回 R3 响应获取该寄存器值。

32位的操作条件寄存器（OCR）存储了卡片的VDD电压配置文件。此外，该寄存器还包括两个状态信息位。

第31位 - 卡片上电状态位，如果卡片的上电程序已经完成，此状态位将被设置。
第30位 - 卡片容量状态位，如果卡片是高容量SD存储卡，则此状态位被设置为1；0表示该卡片是标准容量SD存储卡。

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CID

可通过 CMD2/10 命令返回 R2 响应获取该寄存器值。

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Card Identification (CID) 寄存器是128位宽，它包含了在卡片识别阶段使用的卡片识别信息。每张单独的读写（RW）卡都应该有一个唯一的识别号码。CID寄存器的结构如下所述：

MID（Manufacturer ID）：制造商ID，8位，由“SD卡协会”控制并分配的制造商ID号。
OID（OEM/Application ID）：OEM/Application ID，16位，用于识别卡的OEM和/或卡的内容ID号。
PNM（Product Name）：产品名称，40位，SD128, SD064, SD032, SD016, SD008等。
PRV（Product Revision）：产品修订号，8位，两个二进制编码的十进制数字（BCD）。
PSN（Serial Number）：序列号，32位，32位无符号整数。
Reserved：保留位，4位。
MDT（Manufacture Date Code）：生产日期码，12位，生产日期格式：2001年4月 = 0x014。
CRC（CRC7 checksum）：CRC校验值，7位，CRC校验值。
Reserved, always ‘1’：保留位，始终为“1”，1位。

这些信息是在卡的生产期间被编程（烧录），主控制器不能修改它们的内容。请注意，SD卡的CID寄存器和MMC卡的CID寄存器在记录结构上是不同的。

CSD

可通过 CMD9 命令返回 R2 响应获取该寄存器值。

Card-Specific Data (CSD) 寄存器提供了关于如何访问卡片内容的信息。CSD定义了数据格式、错误校正类型、最大数据访问时间、数据传输速度以及是否可以使用DSR寄存器等。寄存器中可编程的部分（下面标记为W或E的条目）可以通过CMD27命令进行更改。

bit103:96 表示SD卡支持的最大数据传输速度（TRAN_SPEED）

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CSD_STRUCTURE

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CSD V1.0

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CSD V2.0

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SCR

可通过 ACMD51 命令返回 R1 响应获取该寄存器值。

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SD CARD Configuration Register (SCR) 提供了SD卡的一些特殊特性信息，这些特性是针对特定卡片配置的。SCR寄存器的大小为64位，由SD卡制造商在工厂内设置。以下是SCR寄存器内容的描述：

SCR_STRUCTURE：4位，用于说明SD卡内的物理级中SCR结构的版本号。
SD_SPEC：4位，描述SD卡在物理级上所支持的规范版本。
DATA_STAT_AFTER_ERASE：1位，定义了数据在擦除后的状态，这个值取决于卡的供应商。
SD_SECURITY：3位，描述了该卡所支持的安全算法。例如，0表示无安全支持，1表示安全协议1.0，2表示安全协议2.0等。
SD_BUS_WIDTHS：4位，表示SD卡支持的数据总线宽度，例如1表示支持1位数据宽度，4表示支持4位数据宽度。
Reserved：1位，保留位，通常设置为0。
Reserved for manufacturer usage：3位，保留位，供制造商使用，通常设置为0。

这些字段共同定义了SCR寄存器的内容，它们为主机提供了关于SD卡特性的重要信息。

初始化流程

注：初始化期间要保证 DAT3 引脚为高电平，初始化时钟频率为100KHz~400KHz。

上电后延时至少 74 个 clock，等待 SD 卡内部操作完成；
SD 卡上电默认是 SD 模式，然后发送 CMD0 命令 {2’b1,6’d0,32’b0,7’h4A,1’b1} 复位 SD 卡；
至少等待 8 个时钟周期后，发送 CMD8 命令 {2’b1,6’d8,24’b0,4‘h1,8’hAA,7’h43,1’b1} 鉴别 SD1.X 和 SD2.0（VHS 字段=0x1 (2.7~3.6V) ，check pattern=0xAA）；
若正常返回 R7 响应，且返回的 VHS 和 check pattern 值与发送的内容一致，则发送 CMD55 命令{2’b1,6’d55,32’b0,7’h32,1’b1} ;
接收到 R1/R3 响应后，至少等待 8 个时钟周期后，发送 ACMD41 命令{2’b1,6’d41,8‘h40,24’b0,7’h3B,1’b1} 判断 SD 卡容量（HCS = 1）；
若返回 R3 响应，且 OCR 寄存器 bit31 为 0，则重复步骤 5，否则进行下一步（此时 OCR 寄存器 bit30（CCS）值用于指示 SD 的容量）；
接收到 R3 响应后，至少等待 8 个时钟周期后，发送 CMD2 命令 {2’b1,6’d2,32’b0,7’h26,1’b1} 获取 CID 寄存器值；
接收到 R3 响应后，至少等待 8 个时钟周期后，发送 CMD3 命令 {2’b1,6’d3,32’b0,7’h10,1’b1} 请求从端返回 RCA 值，主端记录该参数值，后续通过 CMD7 选择对应地址的从端设备进行通信；
初始化流程结束，SD 卡进入 data transfer mode。

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数据传输流程

通过 CMD9 命令返回 R2 响应获取 CSD 寄存器值，获取当前 SD 卡所支持最大的数据传输速率，并更新FPGA寄存器值（调试时获取该参数，用于后续重新编译更改总线时钟）；
通过 CMD7 命令选择 SD 卡；
通过 ACMD51 命令返回 R1 响应获取 SCR 寄存器值，获取从端支持的总线宽度，更新FPGA寄存器值；
通过 ACMD6 命令设置总线宽度；
进入 Transfer State；

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卡状态跳转表

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传输数据格式

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CRC

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时序要求

参数

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命令及响应

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CMD2、ACMD41 -> 响应：命令和响应之间固定间隔5个周期

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其他命令 -> 响应：命令和响应之间最少间隔2个周期，最多间隔64个周期

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响应 -> 新命令：响应结束和新命令之间最少间隔8个周期

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命令 -> 新命令：若前一条命令没有响应内容（如CMD0），则两条命令之间最少间隔8个周期

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读操作

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单块读

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多块读

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写操作

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单块写

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多块写

接口时序

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超时条件

读超时

对于标准容量SD存储卡，读操作超时条件发生的时间是以下两者中较小的一个：CSD参数TAAC和NSAC给出的典型访问时间的100倍，或100毫秒。

高容量SD存储卡将TAAC和NSAC指示为固定值。主机应使用100毫秒超时（最低）进行单次和多次读操作，而不是使用TAAC和NSAC。
写超时

对于标准容量SD存储卡，写操作超时条件发生的时间是以下两者中较小的一个：CSD中的R2W_FACTOR对应倍数乘以读超时时间，或250毫秒。

高容量SD存储卡将R2W_FACTOR指示为固定值。所有写操作的最大忙碌时间定义为250毫秒。主机应使用250毫秒超时（最低）进行单次和多次写操作，而不是使用R2W_FACTOR。

IP 设计

SPI 模式

IP 例化界面

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IP 接口

信号	方向	说明
ref_clk	input	模块参考时钟
ref_rst	input	模块复位信号

spi_clk_o	output	SD 卡 SPI 模式时钟，spi_clk frequency = ref_clk / 4
spi_cs_n_o	output	SD 卡 SPI 模式片选信号
spi_miso_i	input	SD 卡 SPI 模式主端数据输入
spi_mosi_o	output	SD 卡 SPI 模式主端数据输出

o_sd_init_done	output	SD 卡初始化完成指示，高有效
o_status_flag[31:0]	output	状态机状态，定义见下图
o_card_type[3:0]	output	SD 卡类型，定义见下图

i_sd_wr_en	input	写使能，在 o_sd_wr_end 置位后更新状态。若只写一个 block，则在 o_sd_wr_end 拉低 i_sd_wr_en 信号
i_sd_wr_addr[31:0]	input	写地址，对于 SDHC 和 SDXC 卡，数据块大小固定为 512B，起始地址必须与块边界对齐
i_sd_wr_data[7:0]	input	写数据
o_sd_wr_data_req	output	写数据请求，置位时下个时钟周期更新写数据 i_sd_wr_data
o_sd_wr_end	output	写完成指示，高有效

i_sd_rd_en	input	读使能，在 o_sd_rd_end 或 o_sd_rd_err 置位后更新状态。若只读一个 block，则在 o_sd_rd_end 拉低 i_sd_rd_en信号
i_sd_rd_addr[31:0]	input	读地址，对于 SDHC 和 SDXC 卡，数据块大小固定为 512B，起始地址必须与块边界对齐
o_sd_rd_data[7:0]	output	读数据
o_sd_rd_data_vld	output	读数据有效指示
o_sd_rd_err	output	读操作错误
o_sd_rd_end	output	读完成指示，高有效

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IP 状态机

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IP 验证

这里使用 闪迪HC-16G 和 雷龙 SD NAND (型号：CSNP32GCR01-BOW ) 进行单 block 读写测试。

注：SDHC 卡固定 block 大小为 512 bytes。

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首先读取第二个 block 的数据，一开始为全 0

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然后往第二个 block 写顺序数

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写完成后再次读取第二个 block 数据，发现与写入数据一致

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测试完成

SD模式

IP 例化界面

IP 接口

IP 状态机

IP 验证

雷龙贴片式TF卡

雷龙 SD NAND (型号：CSNP32GCR01-BOW ) 贴片式TF卡，，LGA-8封装，标准SDIO接口，兼容SPI/SD接口，可替代普通TF卡/SD卡，尺寸6x8mm毫米，内置SLC晶圆擦写寿命10万次，耐高低温，速度级别Class10（读取速度23.5MB/S写入速度12.3MB/S）。

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