SD 协议

1、SD 协议科普

SD 协议的全称是 Secure Digital (SD) Interface Protocol，它是由 SD 协会（SDA，Secure Digital Association） 制定的一套标准。

eMMC、SD、SDIO 的关系：

SD 卡的协议最初是基于 MMC（MultiMediaCard）协议 、演变而来的，但两者已经发展出不同的标准体系。MMC 由 JEDEC（Joint Electron Device Engineering Council） 负责，而 SD 由 SDA（Secure Digital Association） 维护。

虽然 SD 卡和 eMMC 都是基于 MMC 协议发展出来的，但目前它们遵循的是不同的规范体系：

• SD 规范（SD Specification） 适用于 SD、SDHC、SDXC、SDUC（SD 存储卡） ，强调的是安全和数据保护（S，Secure）。由 SDA 组织维护
• SDIO 规范（SDIO Specification），强调的是接口（IO，Input/Output），不再关注另一端的具体形态（可以是WIFI设备、Bluetooth设备、GPS等等）。由 SDA 组织维护
• eMMC 规范（eMMC Specification） 适用于嵌入式存储设备，强调的是多媒体存储（MM，MultiMedia），由 JEDEC 组织维护

从上图可以看出 MMC 是 SD/SDIO/eMMC 等一系列的源头，1997 年由西门子和闪迪共同开发，技术基于东芝的 Nand-Flash

SD 卡有个名叫 SD 卡协会(SD Association)的组织，这个组织会规定 SD 卡的设计规范以及协议的制定。这些文档都可以从SD Association 官网 获取，其中重要的文档有:

1. SD Specifications Part 1 Physical Layer Simplified Specification: 这个文档规定了 SD 总线的物理规格以及 SD 存储卡制造商应该遵守的规范协议
2. SD Host Controller Simplified Specification: 这个文档规定了 SD 的主机控制器的设计规范, 芯片厂商根据规范设计自己的 SD 主机控制器, 然而这个协议并不是强制的, 一般还是需要阅读各个芯片的 SD 开发文档
3. SDIO Simplified Specification: 这个文档规定了 SDIO 卡的设计规范, 给 SDIO 卡生产厂商提供遵守的规范

注意：SD Host 规范和 SD 规范是两个东西！！！

• SD Host 规范：聚焦于主机控制器（Host Controller）。它定义了寄存器布局、位域含义、状态机流转及硬件时序要求。开发 Host 驱动时需严格遵循此规范
• SD 卡规范：聚焦于终端设备（Card/Device）。它定义了通信协议、命令集、电气特性及存储格式

拓展：
在 Linux 内核中，eMMC 与 SD 的差异主要体现在协议层（MMC/SD core 层），例如设备识别流程、命令集差异、EXT_CSD 解析、速度模式协商等都会在协议栈中区分处理。
而到了更底层的 Host Controller 驱动层（如 SDHCI 或 SoC 自定义控制器），其职责主要是完成命令下发、响应接收以及数据收发（PIO/DMA 传输等），这一层对 eMMC 和 SD 基本是“无感”的。

SDHCI（Secure Digital Host Controller Interface）规范是由SD协会定义的标准主机控制器接口，旨在统一SD、SDHC、SDXC、SDIO及MMC卡的硬件设计与驱动开发。该规范规定了寄存器映射、指令操作、中断处理和电源管理，实现了硬件互操作性并简化了软件开发。
很多硬件厂商会在标准 SDHCI 的基础上，添加一些自定义的寄存器映射以及一些硬件处理方法，这一点是我们开发 SD 驱动时需要注意的。

因此，从架构上可以理解为：上层做“协议区分”，下层做“物理传输”。虽然 eMMC（由 JEDEC 定义）与 SD（由 SD Association 定义）属于不同规范，但在主机控制器和数据通路层面具有高度共性，这也是两者可以共用一套控制器硬件和大部分底层驱动代码的原因。

2、SD 存储卡分类

2.1 按照容量分类

• SD / The second-generation Secure Digital (SDSC): ≤ 2GB
• The Secure Digital High Capacity (SDHC): >2 GB–32 GB
• The Secure Digital eXtended Capacity (SDXC): >32 GB–2 TB
• The Secure Digital Ultra Capacity (SDUC): >2 TB–128 TB
• 尺寸，由上至下分别为标准 SD、miniSD、microSD卡（TF卡）
  

2.2 按照速度分类

速度上，可以通过 Class 和 UHS(Ultra High-Speed) 两个量级来衡量。

SD2.0 的规范： 普通卡和高速卡的速率定义为 Class2、Class4、Class6 和 Class10 四个等级。在 Class10 卡问世之前，存在过一阵 Class11 和 Class13 的卡，但这种标准最终没有被 SDA 组织共识。

SD3.01 规范： 又被称为超高速卡，速率定义为 UHS-I（Ultra-High Speed，理论上可以支持最大 104MB/s 的总线速度）和 UHS-II（理论总线速度骤然提高到了 312MB/s）。

UHS-II 类型的卡参考协议文档：SD Specifications Part 1 UHS-II Simplified Addendum

Default Speed mode:3.3V供电模式，频率上限25MHz，速度上限12.5MB/sec High Speed mode:3.3V供电模式，频率上限50MHz，速度上限 25MB/sec SDR12： UHS-I卡，1.8V供电模式，频率上限25MHz，速度上限12.5MB/sec SDR25： UHS-I卡，1.8V供电模式，频率上限50MHz，速度上限 25MB/sec SDR50： UHS-I卡，1.8V供电模式，频率上限100MHz，速度上限 50MB/sec SDR104： UHS-I卡，1.8V供电模式，频率上限208MHz，速度上限 104MB/sec DDR50： UHS-I卡，1.8V供电模式，频率上限50MHz，性能上限 50MB/sec

3、SD 存储卡物理结构

3.1 SD卡引脚

标准 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，具体说明如下：

• CLK：时钟线，由主机产生，即由 SD 控制器端输出
• 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(响应)，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

3.2 SD卡上的寄存器

各个寄存器的详细信息如下：

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。

• CID（128bit）：卡信息：生产商，OEM，产品名，版本，出产日期，产品序列号，CRC校验（所有寄存器都有，下同）
• RCA（16bit）：卡地址：在初始化时（卡识别时）发布，该地址用于在卡识别程序之后主机与卡的通信。（仅 SDIO 模式有，SPI 模式没有）
• DSR（16bit）：驱动级寄存器： 它可以选择性地用于提高扩展操作条件下的总线性能（取决于总线长度、传输速率或卡数量等参数）
• CSD：数据传输要求、格式：读写电压最大最低值，写保护，块读写错误，纠错类型，最大数据访问时间、DSR 寄存器是否可以使用等
• SCR（64bit）： 提供 SD 存储卡特殊功能的信息，例如 bus_width 支持、卡安全支持、卡支持的物理层规范的版本、数据被擦除后的状态等。 该寄存器应由 SD 存储卡制造商在出厂时设置
• OCR（32bit）：主要存储 VDD 电压配置。另外还有一位判断 SD 卡上电程序是否执行完毕，还有一位在上电程序执行完毕后，表明 SD 卡的容量信息
• SSR：特有特性，卡类型（OTP，SD 等），一次擦除块数量
• CSR：卡状态寄存器，R1 返回指令的卡状态，此寄存器用与传输卡状态给 host

4、SD 协议两种工作模式

SD 卡有两种模式：SD 模式（也称为SDIO模式）和 SPI（Serial Peripheral Interface）模式，这两种模式的引脚定义是不同的。

CSNP1GCR01-AOW

对于使用 SPI 接口需要注意的是，SPI 接口只是定义了物理传输层，并没有定义完整的数据传输协议，它并不能绕过 eMMC 控制器直接访问 NAND，因此上层软件还是需要遵循 SD 接口协议！eMMC 的 SPI 模式只是历史遗留的兼容接口，现代设计几乎不会用。

5、传输数据格式

5.1 传输模式

SD 卡的读写数据 分为 Standard Bus (窄总线模式) 和 Wide Bus (宽总线模式) 两种模式：

• 窄总线模式：只使用 DAT0 线传输数据，传输的比特速率=时钟频率。SD卡上电时默认是窄总线模式；
• 宽总线模式：使用 DAT0 ~ 3 四根线传输数据，传输的比特速率=4×时钟频率。需要使用 ACMD6 命令 (SET_BUS_WIDTH) 开启或关闭

5.2 数据包格式

SD卡有两种数据包格式。

• 常规数据（8位宽度）：常规数据（8位宽度）首先以 LSB（最低有效字节）顺序发送，最后以 MSB（最高有效字节）顺序发送。但在单个字节中，它首先是 MSB（最高有效位），最后是 LSB（最低有效位）
• 宽数据（SD内存寄存器）：宽数据从 MSB 位移位。

常规数据格式：

宽位数据包格式：

6、SD 协议通信

SD 总线上的通信基于命令和数据比特流进行，通信由起始位（start bit）触发，并由停止位（stop bit）终止。

• 命令（Command）： 命令是启动某个操作的标识符。主机可以将命令发送给单个卡（定向命令）或所有连接的卡（广播命令）。命令通过 CMD 线串行传输
• 响应（Response）： 响应是由被寻址的卡（或所有连接的卡同步响应）发送给主机的标识符，以回答之前收到的命令。响应同样通过 CMD 线串行传输（不是所有命令都需要响应的，例如 CMD0）。
• 数据（Data）： 数据可以在主机与 SD 卡之间进行传输，方向可以是从卡到主机或从主机到卡，数据通过数据线（Data Lines）传输。
  
  

常见的 SD 命令有 4 种类型：

• 无响应广播命令(bc)，发送到所有卡，不返回任务响应
• 带响应广播命令(bcr)，发送到所有卡，同时接收来自所有卡响应
• 寻址命令(ac)，发送到选定卡，DAT 线无数据传输
• 寻址数据传输命令(adtc)，发送到选定卡，DAT 线有数据传输。

另外，SD 卡主机模块系统旨在为各种应用程序类型提供一个标准接口。在此环境中，需要有特定的客户/应用程序功能。为实现这些功能，在标准中定义了两种类型的通用命令：特定应用命令(ACMD)和常规命令(GEN_CMD)。

要使用 SD 卡制造商特定的 ACMD 命令如 ACMD6，需要在发送该命令之前先发送 CMD55 命令，告知 SD 卡接下来的命令为特定应用命令。CMD55 命令只对紧接的第一个命令有效，SD 卡如果检测到 CMD55 之后的第一条命令为 ACMD 则执行其特定应用功能，如果检测发现不是 ACMD 命令，则执行标准命令。

6.1 通用命令和响应

对于所有的命令, 协议规定了通用的格式：

• Start bit: 起始位标志命令开始传输, CMD 管脚在空闲状态下一直保持高电平, 起始位就是通知从机开始接受命令数据.
• Transmitter bit: 这一位表示这一阵命令是主机发送从机还是从机回复主机, 1 表示主机发送给从机, 所以命令中这一位一定都是 1; 0 表示从机回复给主机, 所以回复中这一位也一定是 0
• Command content：命令内容一般包含两部分:
  • Command Index：这一部分占 6bit，如 CMD0 这一部分就是0；CMD53 这一部分就应该是 53
  • Command Argument：这一部分占 32bit，不同的命令对于这 32 位的定义不相同，具体含义可以查询 SD 协议手册
• CRC: 7 bit CRC 校验和，用来确保线路数据传输正确
• End bit: 这一位一定是 1，用来标志这一阵命令传输完成

对于所有的 Response，协议也都定义了通用的格式，总体上分为两种，分别是正常回复和长回复：

在 SDIO 协议手册中可以找到支持的命令列表、Response、以及命令的详细描述：

例如，
CMD0 命令, 没有回复

CMD3 命令, R6 回复

6.2 常见命令

每个命令的详细解释，请参考 SD 简易规格文件《Physical Layer Simplified Specification V2.0》第 4 章内容

6.3 SD卡初始化流程

1. Power On，host 为卡提供工作电压，一般是 3.3V，当电压上升到 2.7V，卡开始初始化，host需要等待最大 1ms 或者 74个 clock cycle（400KHz），具体如下图：
   
2. 在主机与卡通信之前，主机不清楚卡支持的电压范围，并且卡也不知道是否支持主机提供的供电电压。主机会以默认电压（3.3V）发送一个 reset 指令(CMD0)，设置卡进入 Idle State；在这个过程中还需要保持 CS（也就是 DAT3）信号为高电平，保证 SD 卡进入 SDIO 总线模式而不是 SPI 模式；若上电后主机以 SPI 时序发送 CMD0 并拉低 DAT3，则卡将进入 SPI 模式

3. 为了验证 SD 卡接口的操作条件，主机通过发送 CMD8 命令，去获取 SD 卡支持的工作电压范围。SD 卡通过检测 CMD8 的参数部分来检查主机使用的工作电压，主机通过分析卡 CMD8 的 response 参数来确认 SD 卡是否可以在所给电压下工作。如果 SD 卡可以在指定电压下工作，则它的 response 里面会包含 cmd8 参数里面提供的电压 。如果不支持所给电压，则 SD 卡不会给出任何响应信息，并继续处于 IDLE 状态；同时，只有 2.0 及以后的卡才支持 CMD8 命令，否则就是 SD 1.X 卡；
   

4. 发送初始化命令，ACMD41，host 反复的发送 ACMD41（HSC=1 / Host Capacity Support和 S18R=1 / Switching to 1.8 Request）（只有第一个 ACMD41的参数是有效的，但后续的 ACMD41也应该使用相同的参数发送），直到卡响应的 R3 的 bit31=1，表示卡初始化完成后，host 检测 CCS（Card Capacity Status）和 S18A（Switching to 1.8 Accepted），S18A=1表示卡支持切换工作电压到 1.8V，CCS=1表示卡为 SDHC or SDXC；
   

5. 发送电压切换命令，CMD11，S18A=1 则 host 发送 CMD11，卡返回 R1 响应，host 开始切换电压，当 host 检测到卡的 DAT[3:0]任意管脚为高电平，则电压切换成功，此时卡进入 UHS-I 模式，默认总线速度模式为 SDR12；
   

6. 获取 CID，CMD2，host 发送 CMD2 获取卡的 CID，卡返回 R2 响应；

7. 获取 RCA，CMD3，host 发送 CMD3 获取卡发布的 RCA，host 可以多次发送 CMD3 要求卡发布新的 RCA；

6.4 SD数据传输流程

1. 进入 data transfer mode 后的第一步一般是使用 card 指定的 RCA 来选中它。host 发送 CMD7 命令并等待响应，其中命令的 argument 字段的高 16bit 应该取 RCA ，而低 16bit 取 0x0000 (填充位) 。card 会响应 R1 。如上图，CMD7会让卡从 Standby State (未选中) 跳转到 Transfer State (选中)

2. 选中卡后，host 发送 CMD16 命令并等待响应，其中命令的 argument 字段应该取 0x00000200 ，代表 host 指定 block length=512B (0x200) ，也即一个硬盘扇区的大小。一般来说不能设定为其它值。

3. SD卡的读写命令包括单块读 (CMD17), 多块读 (CMD18), 单块写 (CMD24), 多块写 (CMD25) 。它们的 argument 都是 32 位的要读/写的地址，分两种情况处理：
   a.对于 SD 1.X 和 SD2.0 非大容量卡，argument 要填字节地址。例如，要读/写第0个扇区，argument 应该填充 0x00000000 ；要读/写第1个扇区，argument 应该填充 0x00000200 ；要读/写第2个扇区，argument 应该填充 0x00000400 ……

   b.对于 SDHC 2.0 大容量卡，argument 要填扇区地址。例如，要读/写第0个扇区，argument 应该填充 0x00000000 ；要读/写第1个扇区，argument 应该填充 0x00000001 ；要读/写第2个扇区，argument 应该填充 0x00000002 ……

6.5 拓展

CMD16 命令

7、总结

本篇文章讲的只是和 SD 存储卡相关的内容。像 SDIO 这些不再详细讲解，只作为一个科普文用。如果需要详细的内容，还是推荐阅读 SD Association 官网 中的文档。