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苏木2025-09-27
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LV001-SD卡简介 ​

这篇笔记主要看的是文档 Physical Layer Simplified Specification v9.0 ，但其实应该看文档Physical Layer Simplified Specification v2.0可能会更好一些，虽然他们基本是一样的（因为后边好像说是STM32做多支持到2.0版本的SD卡）。

一、SD卡简介 ​

1. 什么是SD卡？ ​

SD卡（Secure Digital Memory Card）即：安全数码卡，它是在MMC的基础上发展而来，是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，是SD协会开发的一种专有 的非易失性 存储卡格式，用于便携式设备。由于它体积小、数据传输速度快、可热插拔等优良的特性，被广泛地于便携式装置上使用，例如数码相机、个人数码助理(PDA)和多媒体播放器等。

SD卡由日本松下、东芝及美国SanDisk公司于1999年8月共同开发研制。作为对MultiMediaCard（MMC）的改进，现已成为行业标准。这三家公司组成了SD-3C，LLC，这家公司许可并执行与SD存储卡以及SD主机和辅助产品相关的知识产权。两家公司还于2000年1月成立了非营利组织SD协会（SDA），以促进和创建SD卡标准。SDA如今有大约1,000个成员公司。SDA使用SD-3C拥有并许可的多个商标徽标，以强制遵守其规范并确保用户的兼容性。

2. 长啥样？ ​

这样的话，我们就去某宝看一看吧：

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我们搜索关键词，就会出现下边这些类型的，我们会发现，似乎有两种形状，一种比较大，一种比较小，但是简介好像都叫SD卡。那就来了解一下吧。

2.1 TF卡 ​

Micro SD Card，原名Trans-flashCard（TF卡），2004年正式更名为MicroSD Card，由SanDisk（闪迪）公司发明。MicroSD卡是一种极细小的快闪存储器卡，其格式源自SanDisk创造，原本这种记忆卡称为T-Flash，及后改称为TransFlash；而重新命名为MicroSD的原因是因为被SD协会(SDA) 采立。

它的体积为15mm x 11mm x1mm，差不多相等于手指甲的大小，是现时最细小的记忆卡。它也能通过SD转接卡来接驳于SD卡插槽中使用。现时MicroSD卡提供128MB、256MB、512MB、1G、2G、4G、8G、16G、32G、64G、128G的容量(MWC2014 世界移动通信大会期间，SanDisk（闪迪）打破了储存卡最高64GB容量的传统，正式发布了一款容量高达128GB的Micro SD XC 储存卡。

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2.2 SD卡 ​

SD卡（Secure Digital Memory Card）即：安全数码卡，就前边介绍的那样，俗称大卡，是一种发展时间比较久的内存卡，SD卡的标准尺寸为24mm×32mm×2.1mm。

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2.3 TF卡转SD卡？ ​

MicroSD的体积更小且可以转换SD卡使用，TF卡的电路和引脚和SD卡是一样的。TF卡可经SD卡转换器后，当SD卡使用，SD卡在一般情况下无法转换成TF卡，毕竟大小在哪摆着。

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3. 官方宣传册？ ​

这一部人可以查看官方网站的宣传册：SDA_brochure_EN.pdf，这个具体的还是看在线文档吧，简单了解一下，对后边自己购买SD卡也有帮助，比如SD卡上边标注的 class等参数是什么意思？

4. SD卡分类 ​

SD卡按容量分类，可以分为3类：SD卡、SDHC卡、SDXC卡，如下表所示：

容量命名简称
0~2GStandard Capacity SD Memory CardSDSC或SD
2G~32GHigh Capacity SD Memory CardSDHC
32G~2TExtended Capacity SD Memory CardSDXC

这个其实在文档 Physical Layer Simplified Specification v9.0 的 2. System Features一节中的Capacity of Memory部分有说明。

二、SD卡物理结构 ​

1. 包含哪些？ ​

这张图我们可以查看 文档 Physical Layer Simplified Specification v9.0 的 3.7 SD Memory Card-Pins and Registers一节。

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一张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 ：

（1）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，这一部分属于NAND FLASH；

（2）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；

（3）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， 一共定义有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。

（4）接口驱动器控制SD卡引脚的输入输出 。

2. 寄存器简介 ​

名称bit宽度描述
CID128卡识别号(Card identification number)：用来识别的卡的个体号码(唯一的)
RCA16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。
DSR16驱动级寄存器(Driver Stage Register)：配置卡的输出驱动
CSD128卡的特定数据(Card Specific Data)：卡的操作条件信息
SCR64SD配置寄存器(SD Configuration Register)：SD 卡特殊特性信息
OCR32操作条件寄存器(Operation conditions register)
SSR512SD状态(SD Status)：SD卡专有特征的信息
CSR32卡状态(Card Status)：卡状态信息

每个寄存器的含义我们可以参考 文档 Physical Layer Simplified Specification v9.0 的 5.Card Registers，里边有对每个寄存器的详细描述。这里选几个重要的，我们可能会用到的说明一下。

（1）CID ：就是一个卡识别号，每一张卡的号都是唯一的，厂家生产SD卡的时候，需要向SD卡的那个标准组织购买卡号的，所以每一张的卡识别号都应该是唯一的。包括有提供制造商ID、OEM/应用ID、产品名称、版本、序列号、制造日期等信息。

（2）CID ：相对地址，这个主要是因为CID太长了，有128位，每一次通讯都通过这么长的CID号来查找是要跟哪一张SD卡通信的话，就比较麻烦了，所以出现了相对地址，那什么是相对地址呢？比如我们在STM32上边接了两张SD卡，这样我们就可以将第一张相对地址指定为0，第二张指定为1，这样就很好区分啦。可动态变化，在主机初始化的时候确定。（仅SDIO模式下有，SPI模式下无RCA）

（3）SSR：包含了这一张SD卡的一些专有特征信息，比如读写的基本单位，块的大小这些信息。

（4）CSR：卡状态寄存器，我们可以从这里获取SD卡的擦除状态啊，写入状态啊，是否需要等待啊这些状态。

三、SD卡总线及协议 ​

1. SDIO接口？ ​

SD卡一般都支持SDIO和SPI这两种接口，支持SPI和SDIO两种模式：不同模式下，SD卡引脚功能描述如下表所示：

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需要注意的是TF卡+卡套，组合起来也可以当SD卡用，不过，很大一部分TF卡，不支持SPI访问模式。所以，SPI驱动SD卡的时候，尽量选择大卡(SD卡)，而不要选择TF卡。在这里我们只学习SDIO接口操作方式， SD卡与SDIO接口示意图如下

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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：

信号线说明
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。

2. 总线协议 ​

关于总线协议，我们可以参考文档 Physical Layer Simplified Specification v9.0 的 3.6 Bus Protocol章节。

2.1 命令与响应 ​

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。

命令与响应交互的过程如下图：

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2.2 带数据块的通信 ​

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。

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2.3 单块和多块的通信 ​

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。

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2.4 数据位什么传输？ ​

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：

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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：

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四、一些资料 ​

STM32F103xx英文数据手册STM32F103xC/D/E系列的英文数据手册
STM32F103xx中文数据手册STM32F103xC/D/E系列的中文数据手册
STM32F10xxx英文参考手册（RM0008）STM32F10xxx系列的英文参考手册
STM32F10xxx中文参考手册（RM0008）STM32F10xxx系列的中文参考手册
Arm Cortex-M3 处理器技术参考手册-英文版Cortex-M3技术参考手册-英文版
STM32F10xxx Cortex-M3编程手册-英文版(PM0056)STM32F10xxx/20xxx/21xxx/L1xxxx系列Cortex-M3编程手册-英文版
SD卡相关资料——最新版本有关SD卡的一些资料可以从这里下载
SD卡相关资料——历史版本有关SD卡的一些历史版本资料可以从这里下载，比如后边看的SD卡2.0协议
SD 2.0 协议标准完整版这是一篇关于SD卡2.0协议的中文文档，还是比较有参考价值的，可以一看