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SDASecure 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 MMCMultiMediaCard协议 、演变而来的但两者已经发展出不同的标准体系。MMC 由 JEDECJoint Electron Device Engineering Council 负责而 SD 由 SDASecure 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、SDUCSD 存储卡 强调的是安全和数据保护SSecure。由 SDA 组织维护SDIO 规范SDIO Specification强调的是接口IOInput/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MMMultiMedia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-FlashSD 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: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。SDHCISecure 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): ≤ 2GBThe Secure Digital High Capacity (SDHC): 2 GB–32 GBThe Secure Digital eXtended Capacity (SDXC): 32 GB–2 TBThe 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-IUltra-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 AddendumDefault 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/sec3、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SD Specifications Part 1 Physical Layer Simplified Specification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。CID128bit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RCA16bit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DSR16bit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SCR64bit 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OCR32bit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OTPSD 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 host4、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 SPISerial 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SD Specifications Part 1 Physical Layer Simplified SpecificationStart 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 0Command 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0CMD53 这一部分就应该是 53Command 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 章内容命令命令说明响应类型CMD0重置 SD 卡使 SD 卡进入 Idle 状态CMD1读 OCR 寄存器获取 OCR 寄存器里面的必要信息CMD2广播获取卡的 CID 信息R2CMD3分配 SD 卡的 RCARelative Card Address用于后续通信如数据传输R6CMD5CMD0 之后执行 CMD5CMD5 只有 SDIO 类型卡才会有响应SD 存储卡不响应CMD6CMD6 主要就是用于 SD 卡高速模式的切换了先查询是否支持高速模式再设置CMD7发送 CMD7使能 SD 卡如果参数值为 0 即使取消所有选中 SD 卡R1bCMD8发送主机供电电压信息的 SD 存储卡接口条件并询问被访问的卡是否可以在供电电压范围内工作R7CMD9读取 CSD 寄存器获取卡的相关信息 获取 SD 相关的存储信息,如块大小,容量等R2CMD10读取 CID 信息R2CMD12强制停止所有传输停止多块传输操作R1bCMD13要求已选中的卡发送它的状态其实本质就是读 Card_Status 寄存器R1CMD15重置 SD 卡使 SD 卡进入 Inactive 状态CMD16设置 SD卡的块大小R1CMD17设置 SD卡按照单个区块进行操作 使 SD 卡进入传输状态读取单个块R1CMD24单块写传输大小由 CMD16 指定R1CMD25多块传输写不断地将数据块从主机写到卡直到被 STOP_TRANSMISSIONCMD12 命令中断R1CMD55通知 SD 卡紧接着的下一个命令是应用命令ACMDR16.3 SD卡初始化流程Power Onhost 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 cycle400KHz具体如下图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 卡发送初始化命令ACMD41host 反复的发送 ACMD41HSC1 / Host Capacity Support和 S18R1 / 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 bit311表示卡初始化完成后host 检测 CCSCard Capacity Status和 S18ASwitching to 1.8 AcceptedS18A1表示卡支持切换工作电压到 1.8VCCS1表示卡为 SDHC or SDXC发送电压切换命令CMD11S18A1 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获取 CIDCMD2host 发送 CMD2 获取卡的 CID卡返回 R2 响应获取 RCACMD3host 发送 CMD3 获取卡发布的 RCAhost 可以多次发送 CMD3 要求卡发布新的 RCA6.4 SD数据传输流程进入 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)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 length512B (0x200) 也即一个硬盘扇区的大小。一般来说不能设定为其它值。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。