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。

SPI 模式

命令

命令格式

命令类别

• 不同类别所支持的命令不同
• 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

CMD

ACMD

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

R2

• 除了 bit0（Card is locked），其余状态都是读清

R3

R7

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

总线

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

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）

• 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：

擦除&写保护

初始化流程

1. 上电后延时至少 74 个 clock，等待 SSD 卡内部操作完成
2. 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）

SD 模式

• 使用 SDIO 接口- 实现

• 参考如下链接：[SD2.0协议详解：命令格式、初始化/读取/写入 - 知乎 (zhihu.com)](https://zhuanlan.zhihu.com/p/610495260#:~:text=SD2.0 Spec)

IP 设计

IP 例化界面

IP 接口

信号	方向	说明
ref_clk	input	模块参考时钟，100MHz
ref_rst	input	模块复位信号
spi_clk_o	output	SD 卡 SPI 模式时钟
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

IP 状态机

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。

• 首先读取第二个 block 的数据，一开始为全 0

• 然后往第二个 block 写顺序数

• 写完成后再次读取第二个 block 数据，发现与写入数据一致

• 测试完成

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）。

参考资料

• Simplified Specifications | SD Association (sdcard.org)

• SD NAND,贴片式TF卡,贴片式SD卡,SPI NAND, PSLC NAND,存储芯片,闪存芯片 (longsto.com)