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SD卡简介

SD卡是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，英文全称Secure Digital Memory Card，中文名又称安全数码卡。

尺寸分类

按尺寸分类，SD卡分为：标准尺寸，Mini SD，Micro SD（TF卡）。

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SD卡和TF卡有哪些区别呢？

SD卡和TF卡主要有以下区别和联系：

卡体尺寸不同，SD卡要比TF卡大（TF卡称作Micro SD card）；
管教定义不同；SD卡管脚要比TF卡多；
TF卡插入卡套可作为SD卡使用；反之则不行。

在嵌入式领域，尤其是小设备，通常使用TF卡。下文中除特殊说明外，用SD卡统一称呼而不做区分。

容量分类

按容量分类，SD卡分为：SDSC卡（小于等于2GB），SDHC卡（大于2GB且小于等于32GB），SDXC卡（大于32GB且小于等于2TB）。其中SDSC卡和SDHC卡协议兼容，而与SDXC卡有很大的差异。本文中主要讨论前者。

工作电压范围

高电压SD卡工作电压范围：2.7_{3.6V；双电压SD卡工作电压范围：低电压范围（T.B.D）和2.7}3.6V。

速度等级

SD卡V2.0标准协议定义了4个速度等级，来表示卡的最小速率。

Class 0 - 这种卡不定义具体性能，代表了这种规范出来之前的所有卡。
Class 2 - 最小2MB/s的性能。
Class 4 - 最小4MB/s的性能。
Class 6 - 最小6MB/s的性能。
Class 8 - 最小8MB/s的性能。
Class 10 - 最小10MB/s的性能。

高容量SD卡应该支持速度等级规格，并且最小要到Class 2。

注意：性能单位表示的是1000x1000字节/秒，而数据大小的MB单位指的是1024x1024字节。这是因为最大SD总线速度是由最大SD时钟频率决定的，而数据大小是基于存储范围。

这个Class一般标记在卡上，带有一个不闭合的圆圈，形如字母C。如下图的卡为Class 4。

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操作模式

SD卡主要有两种操作模式：SD卡模式（使用SDIO接口），SPI模式（使用SPI接口）。

SD卡接口说明

两种模式下各引脚的定义见下图所示意。本文主要讨论后者。

SD卡引脚定义

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TF卡引脚定义

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SD卡通信协议

随着技术的发展，SD卡的标准已经更新了好多版。然而，对于速率要求不高的嵌入式产品而言，选择支持V2.0标准的SD卡已经足够了。因此本文仅讨论V2.0的情况，感兴趣的读者可自行搜索更高版本的资料进行查看。

SPI协议请求命令格式

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SD卡的命令由三部分组成：Command，Command Argument和CRC。

CMD和ACMD

标准协议中定义了两类命令类型：CMD和ACMD。其中，ACMD指的是特定于应用程序的命令，即应用命令。这类命令在使用前要先发送CMD55命令，指示下一步要发送应用命令。而CMD则指的是标准命令。
根据标准文档中的说明，CMD0表示Command值为0，CMD1表示Command值为1，如此类推。注意使用的是十进制表示。

SPI协议响应命令格式

对于SPI模式，标准中定义了5种应答格式，分别为：R1，R1b，R2，R3，R7。具体每条命令对应的应答及其格式，请查看文档的P102页说明。此处不做阐述。

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命令举例

下图中采集的是ACMD41命令的波形图。在命令发送前多发了一个字节数据用于判断SPI总线是否就绪。
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0x77表示CMD55，即55 + 0x40 = 0x77。
0x69表示ACMD41，即41 + 0x40 = 0x69。
0x77,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01整包命令发送完后，通过发送0xFF接收响应帧。此处CMD55的响应帧为R1，即0x01字节。
CMD55发送完后，发送ACMD41：0x69,0x40,0x00,0x00,0x00,0x01。此处ACMD41的响应帧为R1，即0x01字节。

SD卡初始化序列

操作模式

SD卡系统定义了两种操作模式：卡识别模式和数据传输模式。
卡识别模式：在复位后，查找总线上的新卡的时候，主机会处于“卡识别模式”。卡在复位后会处于识别模式。
数据传输模式：当RCA第一次发布后，卡会处于“数据传输模式”。主机会在总线上所有的卡都被识别后进入这个模式。
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上电

上电时，主机给SD卡供电，电压在250ms之内达到Vdd最小值，并且开始提供最少74个SD卡时钟序列给SD卡。期间，保持CMD线为高电平。如果是SPI模式，那么CS应该在74个时钟周期内保持高电平。
上电之后，卡会进入idle状态，如果是使用SD模式，CMD0非必需；而使用SPI模式时，第一条命令就应该发送CMD0并保持CS为低电平，让SD卡进入SPI模式。

卡识别模式

不同的SD卡可能支持不同版本的协议或者不同的工作电压。因此，作为主机，在与SD卡进行交互之初，主机需要获取卡的工作电压范围和卡的类型。
注：在卡识别器件，时钟频率应保持在100~400kHz。

主机首次上电后，所有的卡进入“Idle”状态，包括“Inactive”状态的卡；主机发送GO_IDLE_STATE(CMD0)后，除“Inactive”状态的卡外，其他卡都进入“Idle”状态。
主机发送SEND_IF_CON(CMD8)验证SD卡接口操作条件。CMD8中包含了主机支持的电压信息，并询问卡是否支持。

如果卡支持该电压，那么响应会传回命令参数里设置的支持的电压和检测模式。
如果卡不支持该电压，那么就不会发送响应，并保持在“Idle”状态。
特别的，V2.0规定在发送第一个ACMD41之前要线发送CMD8。CMD8是V2.0协议新增的命令，通过该命令可以识别SD卡是否支持V2.0及以上的协议版本。

SD_SEND_OP_COND(ACMD41)是用来提供给主机一种机制来识别和拒绝那些不匹配它期望的VDD范围的卡。主机应该重复发送ACMD41直到没有卡返回BUSY（CCS中的字段）。至此，完成对卡的初始化和识别。支持的SD卡进入“Ready”状态。
主机通过发送READ_OCR(CMD58)命令，可以查询OCR寄存器的各项参数。