嵌入式SD/TF卡通用协议-SDIO协议

SD卡（SecureDigital MemoryCard）即：安全数码卡，它是在MMC的基础上发展而来，是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，它被广泛地于便携式装置上使用，例如数码相机、个人数码助理(PDA)和多媒体播放器等。SD卡由日本松下、东芝及美国SanDisk公司于1999年8月共同开发研制。SD卡按容量分类，可以分为3类：SD卡、SDHC卡、SDXC卡。

一、SD卡内部结构-内部寄存器

|-----|-------|----------------------------------------------|
| 名称 | bit宽度 | 描述 |
| OCR | 32 | OCR记录了电压范围、卡的工作模式（如是否支持高容量模式）以及卡是否准备好进行数据传输。 |
| CID | 128 | 通常用于获取卡的制造商ID和产品型号等。 |
| RCA | 16 | 用于标识SD卡的相对地址。在初始化阶段，SD卡会通过RCA与主机系统建立连接。 |
| DSR | 16 | 用于SD卡驱动阶段的控制，主要控制SD卡的电气特性和速率。 |
| CSD | 128 | 包含有关SD卡具体规格的详细信息，包括卡的容量、访问模式、速度等级等。 |
| SCR | 64 | 包含SD卡的配置和特性，如支持的功能、卡的速度等级等。 |
| SSR | 512 | 它包含卡的工作状态、错误状态、命令结果等信息。 |
| CSR | 32 | 显示SD卡当前的状态，包括是否准备好进行读写操作、卡的健康状态等。 |

二、SD卡硬件接线

为了驱动SD卡，首先的第一步就是观察SD卡引脚接线情况，通常我们在画原理图时，都是使用的SD卡卡槽与MCU进行接线。SD卡可以使用SDIO协议和SPI协议进行通信，这里我们主要介绍SDIO协议。下图中的TF卡只是容量小一点的SD卡。

|-----|-------|-------|
| 引脚号 | SD卡 | TF卡 |
| 1 | data3 | data2 |
| 2 | cmd | data3 |
| 3 | vss | cmd |
| 4 | vdd | vdd |
| 5 | clk | clk |
| 6 | vss | vss |
| 7 | data0 | data0 |
| 8 | data1 | data1 |
| 9 | data2 | |

SD卡硬件接线图：

其中

TF卡硬件接线图：

以F1C100S为例，接线图如下所示：

SDIO总线和USB总线类似，SDIO总线也有两端，其中一端是主机（HOST）端，另一端是设备端（DEVICE），采用HOST- DEVICE这样的设计是为了简化DEVICE的设计，所有的通信都是由HOST端发出命令开始的。在DEVICE端只要能解析HOST的命令，就可以同HOST进行通信了，SDIO的HOST可以连接多个DEVICE。

我们发现上图中的TF卡使用的协议为SDIO协议，主要有4根数据线，1根命令线，1根时钟线组合而成。为了驱动这个SD/TF卡我们就需要去了解SDIO协议的时序。

三、SD卡命令及其配置流程

1. 常用CMD命令

|------------------|--------|---------|----------|--------- | 命令类型 | 命令 | 基本命令（class0） | CMD0 | 0x00 | - | 基本命令（class0） | CMD2 | 0x02 | R2 | 基本命令（class0） | CMD3 | 0x03 | R6 | 基本命令（class0） | CMD7 | 0x07 | R1b | 基本命令（class0） | CMD8 | 0x08 | R7 | 基本命令（class0） | CMD9 | 0x09 | R2 | 基本命令（class0） | CMD12 | 0x0C | R1b | 基本命令（class0） | CMD13 | 0x0D | R1 | 基本命令（class0） | CMD15 | 0x0F | - | 基本命令（class0） | CMD16 | 0x10 | R1 | 读取命令（class2） | CMD17 | 0x11 | R1 | 读取命令（class2） | CMD18 | 0x12 | R1 | 擦除命令（class3） | CMD32 | 0x20 | R1 | 擦除命令（class3） | CMD33 | 0x21 | R1 | 擦除命令（class3） | CMD38 | 0x26 | R1b | 写入命令（class4） | CMD24 | 0x18 | R1 | 写入命令（class4） | CMD25 | 0x19 | R1 | 特殊命令（class8） | CMD55 | 0x37 | R1 | 特殊命令（class8） | ACMD6 | 0x06 | R1b | 特殊命令（class8） | ACMD23 | 0x17 | R1 | 特殊命令（class8） | ACMD41 | 0x29 | R3 | 特殊命令（class8） | ACMD51 | 0x33 | R1 ----------------------------------------------------------------|
| 命令号 | 响应类型 | 功能描述 |
| 复位所有卡的状态为空闲状态。 |
| 获取卡的CID。 |
| 获取卡的相对地址（RCA）。 |
| 选择卡并切换到传输状态。（OCR） |
| 询问卡是否支持主机支持电压。 |
| 获取卡的CSD。 |
| 停止传输命令（用于终止数据传输）。 |
| 读取 SD 卡的 Card Status Register（卡状态寄存器）。 |
| 释放卡的访问控制，解除卡锁定。 |
| 用于指定卡的数据块大小，通常是512字节或者更大的块。 |
| 读取单个数据块。标准 SD读取数据块长度受 CMD16 控制。对于 SDHC、SDXC卡，读取数据块为固定的 512字节，不受CMD16 控制 |
| 读取多个数据块。块大小由 CMD16 控制。 |
| 设置要擦除的第一个块的地址（擦除起始地址）。 |
| 设置要擦除的最后一个块的地址（擦除结束地址）。 |
| 从块的起始位置到结束位置执行擦除操作的命令。 |
| 写入单块数据。块大小由 CMD16 控制。 |
| 写入多个数据块。块大小由 CMD16 控制。 |
| 发送前置命令，告知卡后续要执行ACMD命令。 |
| 配置卡的总线宽度。 |
| 告诉SD卡后续要写入多少个数据块。 |
| 启动卡并查询OCR响应，卡上电完成。 |
| 读取SD卡的SD 状态寄存器。 |

2. 响应类型

在SD卡命令中，响应类型是指SD卡在接收到命令后返回的响应格式，所有响应都是通过CMD信号线发送。不同命令会有不同的响应类型，这些响应类型决定了卡返回数据的结构。响应类型的关键是根据命令和数据位数来判断的。根据响应类型，可以知道要解析多少个字节，以及如何解读响应内容。

SDIO总共有7个响应类型(代号：R1~R7)，其中SD卡没有R4、R5类型响应。特定的命令对应有特定的响应类型，比如当主机发送CMD3命令时，可以得到响应R6。

根据响应内容大小可以分为短响应和长响应。短响应是48bit长度，只有R2类型是长响应，其长度为136bit。

而有些响应后面会带有 ' b' 标志，表示 " 忙 "标志。用于命令执行期间卡可能需要一些时间来完成操作。响应中会有一个"忙"位，表示卡是否仍在执行某些操作。

（1）短响应

R1响应（正常响应命令）：R1响应会返回32位的卡状态。

|------|-----|-----|-----------|----------|---------|-----|
| Bit位 | 47 | 46 | [45:40] | [39:8] | [7:1] | 0 |
| 位宽 | 1 | 1 | 6 | 32 | 7 | 1 |
| 值 | "0" | "0" | x | x | x | "1" |
| 描述 | 开始位 | 传输位 | 命令号 | 卡状态 | CRC7 | 结束位 |

R1b响应：和R1响应差不多，但是R1b响应在数据线上会有busy信号，主机在发送完数据后，应该检查 busy 信号。

|------|-----|-----|-----------|----------|---------|-----|
| Bit位 | 47 | 46 | [45:40] | [39:8] | [7:1] | 0 |
| 位宽 | 1 | 1 | 6 | 32 | 7 | 1 |
| 值 | "0" | "0" | x | x | x | "1" |
| 描述 | 开始位 | 传输位 | 命令号 | 卡状态 | CRC7 | 结束位 |

**R3响应(OCR 寄存器)：**R3响应会返回32位的OCR寄存器的值作为ACMD41的响应。

|------|-----|-----|-----------|----------|----------|-----|
| Bit位 | 47 | 46 | [45:40] | [39:8] | [7:1] | 0 |
| 位宽 | 1 | 1 | 6 | 32 | 7 | 1 |
| 值 | "0" | "0" | "111111" | x | "111111" | "1" |
| 描述 | 开始位 | 传输位 | 保留位 | OCR寄存器 | 保留位 | 结束位 |

R6响应(CMD3专用响应)：

|------|-----|-----|-----------|----------------|--------------|---------|-----|
| Bit位 | 47 | 46 | [45:40] | [39:8] || [7:1] | 0 |
| 位宽 | 1 | 1 | 6 | 16 | 16 | 7 | 1 |
| 值 | "0" | "0" | "000011" | x | x | x | "1" |
| 描述 | 开始位 | 传输位 | 命令号CMD3 | [31:16]卡的RCA | [15:0]卡的状态 | CRC7 | 结束位 |

**R7响应(CMD8专用响应)：**Bit[19:16]表明卡支持的电压范围。卡接受提供的电压范围就返回 R7 响应。卡会在响应的参数中返回电压范围和检查模式。

|------|-----|-----|-----------|-----------|-----------|----------|---------|-----|
| Bit位 | 47 | 46 | [45:40] | [39:20] | [19:16] | [15:8] | [7:1] | 0 |
| 位宽 | 1 | 1 | 6 | 20 | 4 | 8 | 7 | 1 |
| 值 | "0" | "0" | "001000" | "00000h" | x | x | x | "1" |
| 描述 | 开始位 | 传输位 | 命令号CMD8 | 保留位 | 接受电压 | 检查模式 | CRC7 | 结束位 |

（2）长响应

**R2响应(CID,CSD 寄存器)：**R2响应会返回SD卡中CID或者CSD寄存器的值。其中CID寄存器的值用于CMD2和CMD10响应，CSD寄存器的值用于CMD9响应。

|------|-----|-----|-------------|----------------------|-----|
| Bit位 | 135 | 134 | [133:128] | [127:1] | 0 |
| 位宽 | 1 | 1 | 6 | 127 | 1 |
| 值 | "0" | "0" | "111111" | x | "1" |
| 描述 | 开始位 | 传输位 | 保留位 | CID/CSD寄存器的值（内部CRC7） | 结束位 |

（2）命令和响应使用举例

以F1C100s举例，该芯片中有4个响应寄存器，如下所示。当我们发送命令后需要接收响应时，要根据不同的响应类型来获取响应寄存器的值。

例如短响应通常只需要 1 个响应寄存器**，** 响应数据会被放入响应寄存器0（通常是 SD0_RESP0），因此，获取响应时只需要读取 SD0_RESP0 即可。
cpp 复制代码
// 假设响应数据保存在 sd_command.response 数组中
sd_command.cmdidx    = 3;   //CMD3
sd_command.cmdarg    = 0;   // 根据具体命令的参数设置
sd_command.resp_type = SD_RESPONSE_CRC | SD_RESPONSE_PRESENT;
//SD_RESPONSE_PRESENT:设置需要响应。 SD_RESPONSE_CRC ：CRC校验。
result = sd_card_send_command(&sd_command, 0);

// 读取四个响应寄存器的值
uint32 response= sd_command.response[0];  //获取响应寄存器0的值
对于长响应，通常需要读取 4 个响应寄存器（如 SD0_RESP0, SD0_RESP1, SD0_RESP2, SD0_RESP3），SD0_RESP0 存储高位部分。
cpp 复制代码
// 假设响应数据保存在 sd_command.response 数组中
sd_command.cmdidx    = 2;   //CMD2
sd_command.cmdarg    = 0;   // 根据具体命令的参数设置
sd_command.resp_type = SD_RESPONSE_CRC | SD_RESPONSE_PRESENT | SD_RESPONSE_136;
//SD_RESPONSE_PRESENT:设置需要响应。 SD_RESPONSE_CRC ：CRC校验。SD_RESPONSE_136：长响应。
result = sd_card_send_command(&sd_command, 0);

// 读取四个响应寄存器的值
uint32 response0 = sd_command.response[0];  //获取响应寄存器0的值
uint32 response1 = sd_command.response[1];  //获取响应寄存器1的值
uint32 response2 = sd_command.response[2];  //获取响应寄存器2的值
uint32 response3 = sd_command.response[3];  //获取响应寄存器3的值

3. SD卡初始化流程

（1）初始化GPIO功能，SDIO时钟不超过400kHz。

（2）开启SDIO电源，为卡提供时钟，并延时两毫秒。

（3）发送CMD0复位命令，让卡到空闲状态。

（4）发送CMD8命令，询问卡是否支持主机支持电压。根据电压值判断SD卡支持版本。

（5）反复发送ACMD41（先发送CMD55，再发送ACMD41），等待OCR回应，卡上电完成和卡容量类型。如果正常则进入准备状态。

（6）发送CMD2，进入识别状态，获得卡信息(CID)。包含卡的制造商、产品ID等信息。

（7）发送CMD3，获得卡的相对地址(RCA)。这个地址用于区分不同的卡，并在后续的操作中标识当前使用的卡。进入待机状态（下一步就要进行数据传输）。

（8）发送CMD9，获得卡的数据(CSD)。包含卡的规格、容量、访问模式等信息。

（9）发送CMD7，选择卡，切换到传输状态。此时，SD卡已经准备好进行数据的读写操作。

（10）检查卡是否被锁定，卡被锁定时不能进行写操作，通常用于保护卡内的数据不被修改。我们在写操作时，SD卡要处于非锁定模式。

（11）通过读取SD卡的SCR寄存器，判断卡是否支持宽总线（4位数据线宽度）。如果支持宽总线，则可以提高数据传输速率。

（12）发送ACMD6（先发送CMD55，再发送ACMD6），修改总线宽度，（如从1位宽设置为4位宽）。

4. SD卡写操作流程

（1）发送**CMD7**命令选择SD卡，确保卡处于"传输状态"。

（2）设置块大小，通过**CMD16**命令设置块大小（通常是512字节），如果不设置，则默认为512字节。

（3）配置SDIO的数据路径状态机DPSM（这个通常是硬件配置步骤，不需要通过命令发送）。在配置块大小后，需要配置SDIO（SD卡接口）的数据路径状态机（DPSM）来处理数据的传输。DPSM 控制数据传输的流动，它会确保数据能够被正确地写入到SD卡中。这个步骤通常是在硬件层面配置的，与命令流程关系不大，但非常重要。

（3）SD卡使用 CMD24 （单块写命令）或 CMD25（多块写命令）来执行数据写操作。命令需要包含块地址和要写入的数据。

（4）发送命令 CMD13轮询SDIO状态寄存器：监控传输过程，等待数据完成写入FIFO。

TXFIFO_EMPTY：表示发送 FIFO（数据缓冲区）为空，意味着数据已经传输完成。

RXFIFO_READY：表示接收 FIFO 准备好接收数据。

CMD_DONE：表示命令已经执行完成。

ERROR：表示传输过程中出现了错误。

（5）发送停止传输命令（CMD12）：当数据传输完成后，在需要停止传输时使用。
单块写：

多块写：

5. SD卡读操作流程

（1）发送**CMD16**设置块大小，并配置 SDIO 的数据路径状态机。

（2）发送 CMD18连续读取命令，读取多个数据块直到完成。如果是单块读取，发送CMD17 单块读取命令。

（3）发送命令 CMD13 轮询 SDIO 状态寄存器，读取 FIFO 中的数据，直到数据接收完毕。

（4）数据传输结束后，发送 CMD12 强制停止传输命令。

（5）检查 FIFO 是否为空，如果不为空，则继续读取剩余数据。

（6）检查错误状态，确保数据读取无误，如果出现错误则处理。
单块读：

多块读：

6. SD卡擦除流程

（1）SD状态检查，参数检査、命令支持检查、检查卡类型：在进行任何写入操作之前，需要检查 SD 卡的状态，以确保卡处于正常工作状态。这通常包括检查卡是否处于准备状态、卡是否支持擦除操作等。在擦除操作前，需要确保所选参数（如要擦除的起始块和结束块的地址）是有效的。确认 SD 卡是否支持擦除命令。

（2）发送 **CMD32**设置要擦除的起始块的地址：在执行该命令后，卡会将起始地址加载到擦除缓冲区，并准备好擦除操作。

（3）发送**CMD33**设置要擦除的最后一个块的地址：该命令告诉卡擦除的结束地址，范围包括从起始块到结束块。

（4）发送 CMD38 擦除选定的块：CMD38 命令会要求卡擦除从起始块到结束块之间的所有数据块。

（5）擦除完成后的检查：发送命令 CMD13轮询 SDIO 状态寄存器，检查是否存在错误。如果没有错误，擦除操作成功；如果有错误，系统需要根据错误码采取适当的恢复措施。

四、SDIO协议数据包格式

1. 单线传输模式

单线模式下，只有一根数据线 DAT0 传输数据。所以必须要有传输方向位来明确数据的流向。

传输方向位：1：主机传输到SD卡， 0：SD卡传输到主机。

2. 多线传输模式

在多线传输模式下，有4 条数据线（DAT0 到 DAT3）并行完成的，传输方向由命令类型和数据线的硬件状态决定，不需要额外的传输方向位。主机通过命令明确告诉 SD 卡当前的操作是读还是写（例如 CMD17 是读单块，CMD24 是写单块），因此数据的方向是由命令预先确定的。多线模式强调高效并行传输，省去了传输方向位这一单线模式中的冗余信息。