本文章内容来自 野火STM32F103教学视频 的 SD卡 篇。
SDIO协议简介
SD卡（Secure Digital Memory Card）在我们的生活中已经非常普遍了，控制器对SD卡进行读写通信操作一般有两种通信接口可选，一种是 SPI接口，另外一种就是 SDIO接口。SDIO 全称是 安全数字输入/输出接口，多媒体卡(MMC)、SD卡、SD I/O卡 都有 SDIO接口。STM32F103系列控制器有一个 SDIO主机接口，它可以与 MMC卡、SD卡、SD I/O卡 以及 CE-ATA 设备进行数据传输。
参考资料：
- 多媒体卡协会网站 www.mmca.org 中提供了有MMCA技术委员会发布的多媒体卡系统规范。
- SD卡协会网站 www.sdcard.org 中提供了SD存储卡和SDIO卡系统规范。
- CE-ATA工作组网站 www.ce-ata.org 中提供了CE_ATA系统规范。
SDIO设备分类
MMC卡可以说是SD卡的前身，现阶段已经用得很少。SD I/O卡本身不是用于存储的卡，它是指利用SDIO传输协议的一种外设。比如Wi-Fi Card，它主要是提供Wi-Fi功能，有些Wi-Fi模块是使用串口或者SPI接口进行通信的，但Wi-Fi SDIO Card是使用SDIO接口进行通信的。并且一般设计SD I/O卡是可以插入到SD的插槽。CE-ATA是专为轻薄笔记本硬盘设计的硬盘高速通讯接口。
目前SDIO协议提供的SD卡规范版本最新是4.01版本，但STM32F42x系列（F1系列也一样）控制器只支持SD卡规范版本2.0，即只支持标准容量SD和高容量SDHC标准卡，不支持超大容量SDXC标准卡，所以可以支持的最高卡容量是32GB。
SD卡物理结构
一般SD卡包括有存储单元、存储单元接口、电源检测、卡及接口控制器和接口驱动器 5个部分。
- 存储单元是存储数据部件，存储单元通过存储单元接口与卡控制单元进行数据传输；
- 电源检测单元保证SD卡工作在合适的电压下，如出现掉电或上状态时，它会使控制单元和存储单元接口复位；
- 卡及接口控制单元控制SD卡的运行状态，它包括有8个寄存器；
- 接口驱动器控制SD卡引脚的输入输出。
SD卡总共有8个寄存器，用于设定或表示SD卡信息。
这些寄存器只能通过对应的命令访问，SDIO定义64个命令，每个命令都有特殊意义，可以实现某一特定功能，SD卡接收到命令后，根据命令要求对SD卡内部寄存器进行修改，程序控制中只需要发送组合命令就可以实现SD卡的控制以及读写操作。
SD卡寄存器列表：
| 名称 | bit宽度 | 描述 |
|---|---|---|
| CID | 128 | 卡识别号(Card identification number)：用来识别的卡的个体号码（唯一的） |
| RCA | 16 | 相对地址(Relative card address)：卡的本地系统地址，初始化时，动态地由卡建议，主机核准。 |
| DSR | 16 | 驱动级寄存器(Driver Stage Register)：配置卡的输出驱动 |
| CSD | 128 | 卡的特定数据(Card Specific Data)：卡的操作条件信息 |
| SCR | 64 | SD配置寄存器(CD Configuration Register)：SD卡特殊特性信息 |
| OCR | 32 | 操作条件寄存器(Operation conditiongs register) |
| SSR | 512 | SD状态(SD Status)：SD卡专有特征的信息 |
| CSR | 32 | 卡状态(Card Status)：卡状态信息 |
每个寄存器位的含义可以参考SD简易规格文件《Physical Layer Simplified Specification V2.0》第5章内容。
SDIO总线拓扑
SD卡一般都支持 SDIO 和 SPI 这两种接口，本章内容只介绍 SDIO 接口方式，SD 卡与 SDIO 接口示意图如下：
虽然可以共用总线，但不推荐多卡槽共用总线信号，要求一个单独 SD 总线应该连接一个单独的 SD 卡。
SD 卡使用 9-pin 接口通信，其中3根电源线、1根时钟线、1根命令线和4根数据线，具体如下：
- CLK：时钟线，由 SDIO 主机产生，即由 STM32 控制器输出；
- CMD：命令控制线，SDIO 主机通过该线发送命令控制SD卡，如果命令要求 SD 卡提供应答，SD 卡也是通过该线传输应答信息；
- D0-3：数据线，传输读写数据；SD 卡可将 D0 拉低表示忙状态；
- VDD、Vss1、Vss2：电源和地信号。
SDIO总线：
SDIO的通信时序的物理逻辑非常简单，SDIO不管是从主机控制器向SD卡传输，还是SD卡向主机控制器传输都只以CLK时钟线的上升沿为有效。SD卡操作过程会使用两种不同频率的时钟同步数据，一个是识别卡阶段时钟频率FOD，最高为400kHz;另外一个是数据传输模式下时钟频率FPP，默认最高为25MHz，如果通过相关寄存器配置使SDIO工作在高速模式，此时数据传输模式最高频率为50MHz。
SD 总线通信是基于命令和数据传输的。通讯由一个起始位 ("0")，由一个停止位 ("1") 终止。SD通信一般是主机发送一个命令 (Command)，从设备在接收到命令后作出响应(Response)，如有需要会有数据 (Data) 传输参与。
命令与响应交互：
SD 数据是以块 (Black) 形式传输的，SDHC 卡数据块长度一般为 512 字节，数据可以从主机到卡，也可以是从卡到主机。数据块需要 CRC 位来保证数据传输成功。CRC 位由SD卡系统硬件生成。STM32控制器可以控制使用单线或4线传输，本开发板使用4线传输。
SD数据传输支持单块和多块读写，它们分别对应不同的操作命令，多块写入还需要使用命令来停止整个写入操作。数据写入前需要检测SD卡忙状态，因为 SD 卡在接收到数据后编程到存储区过程需要一定操作时间。SD 卡忙状态通过把 D0线 拉低表示。
数据块读操作与之类似，只是无需忙状态检测。
使用4数据线传输时，每次传输 4bit 数据，每根数据线都必须有起始位、终止位以及 CRC 位，CRC 位每根数据线都要分别检查，并把检查结果汇总然后在数据传输完后通过 D0 线反馈给主机。
SD卡数据包有两种格式，一种是常规数据 (8bit宽)，它先发低字节再发高字节，而每个字节则是先发高位再发低位，4线传输示意如下图：
另外一种数据包发送格式是宽位数据包格式，对 SD卡 而言宽位数据包发送方式是针对 SD卡SSR(SD状态) 寄存器内容发送的，SSR寄存器总共有 512bit，在主机发出 ACMD13 命令后 SD卡 将 SSR 寄存器内容通过 DAT线 发送给主机。宽位数据包格式示意图如下：
