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3.3卡状态
卡状态分别存放在下面两个区域:
卡状态(CardStatus),存放在一个32位状态寄存器,在卡响应主机命令时作为数据传送给主机。
SD状态(SD_Status),当主机使用SD_STATUS(ACMD13)命令时,512位以一个数据块的方式发送给主机。
SD_STATUS还包括了和BUS_WIDTH、安全相关位和扩展位等的扩展状态位。
3.4内存组织
数据读写的基本单元是一个字节,可以按要求组织成不同的块。
Block:
块大小可以固定,也可以改变,允许的块大小是实际大小等信息存储在CSD寄存器。
Sector:
和擦除命令相关,由几个块组成。
Sector的大小对每个设备是固定的,大小信息存储在CSD寄存器。
WPGroup:
写保护单位。
大小包括几个group,写保护由一位决定,对每个设备大小是固定的,存储在CSD寄存器。
3.5读写操作
SingleBlockMode:
主机根据事先定义的长度读写一个数据块。
由发送模块产生一个16位的CRC校验码,接受端根据校验码进行检验。
读操作的块长度受设备sector大小(512bytes)的限制,但是可以最小为一个字节。
不对齐的访问是不允许的,每个数据块必须位于单个物理sector内。
写操作的大小必须为sector大小,起始地址必须与sector边界对齐。
MultipleBlockMode:
主机可以读写多个数据块(相同长度),根据命令中的地址读取或写入连续的内存地址。
操作通过一个停止传输命令结束。
写操作必须地址对齐。
3.6数据传输速率数据传输速率
SD卡可以通过单数据线(DAT0)或四根数据线(DAT0-DAT3)进行数据传输。
单根数据线传输最大传输速率为25Mbit/s,四根数据线最大传输速率为100Mbit/s。
3.7数据保护
每个sector的数据通过ErrorCorrectionCode(ECC)进行保护。
在写sector时生成ECC,在读sector时检验ECC。
如果发现错误,在传输前进行纠正。
3.8数据擦除
SD卡数据擦除的最小单位是sector。
为了加速擦除操作,多个sector可以同时擦除。
为了方便选择,第一个指令包含起始地址,第二个指令包含结束地址,在地址范围内的所有sector将被擦除。
3.9写保护
两种写保护方式可供选择,永久保护和临时保护,两种方式都可以通过PROGRAM_CSD指令进行设置。
永久保护位一旦设置将无法清除。
3.10拷贝位
通过CSD寄存器中的拷贝位(copybit)设置SD卡中的数据是原始数据还是拷贝数据。
拷贝位一旦设置,将无法清除,在测试和格式化时使用。
3.11CSD寄存器
所有SD卡的配置信息存储在CSD寄存器。
通过SEND_CSD读取,PROGRAM_CSD修改。
4SPI模式
二、SD卡接口描述
1引脚和寄存器
主机通过9个引脚和SD卡相连
1.1SD模式引脚
扩展数据线(DAT1-DAT3)上电后为输入,SET_BUS_WIDTH命令执行后作为数据线。
即使只
有DAT0使用,所有数据线都和外部上拉电阻连接,否则DAT1&
DAT2(如果未被使用)的振荡输入将引起非期望的高电流损耗。
上电后,数据线输入50K(+/-20K)欧姆的上拉(用来进行卡侦测和SPI模式选择)。
用户可以在常规数据传输时,通过SET_CLR_CARD_DETECT(ACMD42)命令分离上拉。
1.2SPI模式引脚
1.3寄存器
名称CIDRCA宽度12816描述卡标识号相对卡地址(Relativecardaddress):
本地系统中卡的地址,动态变化,在主机初始化的时候确定*SPI模式中没有卡描述数据:
卡操作条件相关的信息数据SD配置寄存器:
SD卡特定信息数据操作条件寄存器
CSDSCROCR
1286432
主机通过重新上电来重置(reset)卡。
卡有它自身检测上电的电路,当上电后卡状态切换到idle状态。
也可以通过GO_IDLE(CMD0)指令来重置。
2SD卡总线拓扑卡总线拓扑
SD总线有6根通信线和三根电源供应线:
CMD——命令线是双向信号线。
主机和卡通过pushpull模式工作。
DAT0-3——数据线是双向信号线。
CLK——时钟是从主机到卡的信号。
CLK通过pushpull模式操作。
VDD—VDD是所有卡的电源供应线。
VSS[1:
2]—VSS是2根地线。
在初始化的时候,向每个卡分别发送命令,允许应用检测卡并给物理槽(physicalslot)分配逻辑地址。
数据通常分别传输给每个卡。
然后,为了方便处理卡堆栈,初始化后所有命令同时发送给所有卡,在命令数据包中包含了操作地址。
SD总线允许动态配置数据线数目。
上电后默认SD卡只用DAT0作为数据传输线。
初始化后,主机可以改变总线宽度。
这个特性使得在硬件开销和系统性能间取得平衡。
3SPI总线拓扑总线拓扑4电气接口
4.1上电
上电后,包括热插入,卡进入idle状态。
在该状态SD卡忽略所有总线操作直到接收到ACMD41命令。
ACMD41命令是一个特殊的同步命令,用来协商操作电压范围,并轮询所有的卡。
除了操作电压信息,ACMD41的响应还包括一个忙标志,表明卡还在power-up过程工作,还没有准备好识别操作,即告诉主机卡还没有就绪。
主机等待(继续轮询)直到忙标志清除。
单个卡的最大上电时间不能操作1秒。
上电后,主机开始时钟并在CMD线上发送初始化序列,初始化序列由连续的逻辑“1”组成。
序列长度为最大1毫秒,74个时钟或supply-ramp-up时间。
额外的10个时钟(64个时钟后卡已准备就绪)用来实现同步。
每个总线控制器必须能执行ACMD41和CMD1。
CMD1要求MMC卡发送操作条件。
在任何情况下,ACMD41或CMD1必须通过各自的CMD线分别发送给每个卡。
5寄存器
5.1OCR(OperatingConditionsRegister)
32位的操作条件寄存器存储了VDD电压范围。
SD卡操作电压范围为2~3.6V。
然而从内存中访问数据的电压是2.7~3.6V。
OCR显示了卡数据访问电压范围,结构如下表所示。
表3-8OCR寄存器定义
OCR位0-3456789101112131415161718192021
VDD电压范围保留1.6~1.71.7~1.81.8~1.91.9~2.02.0~2.12.1~2.22.2~2.32.3~2.42.4~2.52.5~2.62.6~2.72.7~1.82.8~2.92.9~3.03.0~3.13.1~3.23.2~3.33.3~3.4
222324-3031
3.4~3.53.5~3.6保留卡上电状态位(忙)
OCR结构如下图所示。
如果第32位(busybit)置位,表明卡上电过程已结束。
5.2CID(CardIdentification)
CID寄存器长度为16个字节的卡唯一标识号,该号在卡生产厂家编程后无法修改。
SD和MMC卡的CID寄存器结构不一样。
名称类型宽度厂商IDBinary816[127:
120][119:
104]SD卡协会管理和分配0x03CID位内容CID值
OEM/ApplicationASCIIID(OID)产品名(PNM)ASCII产品版本(PRV)BCD
识别卡的OEM或卡内容,由制0x53,0x44造商分配
408
[103:
64][65:
56]
5个ASCII字符2个二进制编码的十进制数
SD128产品版本(30)1
序列号(PSN)保留生成日期(MDT)
Binary
324
[55:
24][23:
20][19:
8]
32位无符号整数
产品序列号
BCD
12
yym(从2000年的偏移量)
如
:
Apr
2001=0x014
CRC7校验和Binary(CRC)
7
[7:
1]
CRCCalculation:
G(x)=x7+3+1M(x)=(MID-MSB)*x119+……+(CIN-LSB)*x0CRC[6……0]=Remainder[(M(x)*x7)/G(x)]
CRC7
未用
1
[0:
0]
1、格式为“n.m”,如“6.2”表示为01100010
5.3CSD(CardSpecificData)
CSD寄存器包含访问卡数据所需的配置信息。
SD卡和MMC卡的CSD不同。
6数据交互格式和卡容量数据交互格式和卡容量
通常,SD卡分为2个区:
用户区—用户通过读写命令存储安全和非安全数据。
安全保护区(SecurityProtectedArea)—版权保护应用程序用来保存安全相关数据,通过SD安全规范中定义的条件验证后,由主机使用安全的读写指令完成操作。
安全保护区的大小大概是总大小的1%。
三、SD卡协议1SD总线协议
SD总线通信是基于命令和数据位流方式的,由一个起始位开始,以一个停止位结束:
命令——命令是开始开始操作的标记。
命令从主机发送一个卡(寻址命令)或所有连接的卡(广播命令)。
命令在CMD线上串行传送。
响应——响应是从寻址卡或所有连接的卡(同步)发送给主机用来响应接受到的命令的标记。
数据——数据可以通过数据线在卡和主机间双向传送。
卡寻址通过会话地址方式实现,地址在初始化的时候分配给卡。
SD总线上的基本操作是command/response。
数据传送采用块方式,数据块后接CRC校验位,操作包括单数据块和多数据块。
多数据块更适合快速写操作,多数据块传输当在CMD线出现停止命令时结束。
数据传输可以在主机端设置采用单数据线或多数据线方式。
块写操作在DAT0数据线写操作期间使用忙信号,无论用来传输的信号线数目是多少。
命令格式如下所示:
响应标记(token)根据内容不同具有四种格式,标记长度。
长度为48位或136位。
数据块的CRC算法采用16位的CCITT多项式。
在命令行中,MSB位首先传送,LSB位最后传送。
当使用宽总线模式时,数据同时在4根数据线上传输。
开始位、结束位和CRC在每根数据线上传送。
CRC对每根数据线单独计算。
CRC状态响应和Busy信号只通过DAT0由卡发送给主机。
2协议功能描述
所有主机和SD卡间的通信由主机控制。
主机发送下述两类命令:
广播命令——广播命令发送给所有SD卡,有些命令需要响应。
广播命令寻址(点对点)命令——寻址命令只发送给具有相应地址的卡,并需要从卡返回一个响应。
寻址(点对点)命令对卡而言也有两类操作:
卡识别模式——在重置(reset)后当主机查找总线上的新卡时,处于卡识别模式。
重置后卡识别模式SD卡将始终处于该模式,直到收到SEND_RCA命令(CMD3)。
数据传输模式——一旦卡的REC发布后,将进入数据传输模式。
主机一旦识别了所有总线数据传输模式上的卡后,将进入数据传输模式。
操作模式与卡状态关系:
3卡识别模式
在卡识别模式,主机重置所有处于卡识别模式的SD卡,检验操作电压范围,识别卡并请求卡发送相对卡地址RCA。
操作对每个卡在各自的CMD线上单独进行,所有的数据传送只使用CMD线。
3.1重置
GO_IDLE_STATE(CMD0)是软件重置命令,设置每个SD卡进入Idle状态。
处于Inactive状态的卡不受此命令影响。
主机上电后,所有SD卡进入Idle状态,包括处于Inactive状态的卡。
至少74个时钟周期后才能开始总线传输。
上电或CMD0后,所有SD卡的命令线处于输入模式,等待下一个命令的起始位。
卡通过一个默认的相对卡地址RCA(RCA=0x0000)和默认驱动寄存器设置(最低速,最高驱动电流)初始化。
3.2操作电压范围验证
SD的物理规范标准要求所有SD卡能通过最小和最大供电电压间的任何电压和主机建立通信。
然而,数据传输时的最小和最大电压值在操作条件寄存器OCR中定义,可能并不
能覆盖所有的电压范围。
SD卡主机希望通过读取卡的OCR寄存器获取合适的电压值或弹出卡。
SD卡
3.3卡识别过程
在识别时钟速率fOD下主机开始卡识别过程。
SD卡的CMD线输出驱动是push-pull驱动。
总线激活后,主机要求卡发送它们的有效操作条件(ACMD41precedingwithAPP_CMD—CMD55withRCA=0x0000)。
ACMD41命令的响应是卡的操作条件寄存器。
相同的命令将发送给系统中所有的卡。
不兼容的卡将进入Inactive状态。
主机然后发送命令ALL_SEND_CID(CMD2)到每个卡以获取每个卡的唯一标识CID号。
未识别的卡通过CMD线发送CID号作为响应。
当卡发送CID号后,进入识别状态(IdentificationState)。
此后,主机发送CMD3(SEND_RELATIVE_ADDR)要求卡发布一个新的相对卡地址RCA,地址比CID短,在以后的数据传输模式中用来寻址卡。
一旦获得RCA后,卡状态变成就绪状态(Stand-bystate)。
此时,如果主机要求卡换成其他的RCA号,可以通过发送另一个SEND_RELATIVE_ADDR命令给卡,要求发布一个新的RCA,最后发布的RCA是实际使用的RCA。
主机对系统中的每个卡重复识别过程。
所有的SD卡初始化完以后,系统将开始初始化MMC卡(如果有的话),使用MMC卡的CMD2和CMD3。
4数据传输模式
直到主机知道所有CSD寄存器的内容,fpp时钟速率必须保持在fOD,因为一些卡有操作频率限制。
主机发送SEND_CSD(CMD9)获取卡定义数据(CardSpecificData,CSD寄存器),如块大小、卡存储容量、最大时钟速率等。
,在任何时间只能有一个CMD7用来选择一个卡并将它置于传输状态(Transferstate)卡处于传输状态。
如果已有一个卡处于传输状态,它和主机的连接将释放,并返回到Stand-by状态。
当CMD7以保留相对地址“0x0000”发送时,所有卡将返回到Stand-by状态。
这可以用来识别新的卡而不重置其他已注册的卡。
在这种状态下已有一个RCA地址的卡不响应识别命令(ACMD41,CMD2,CMD3)。
注意:
当卡接收到一个带有不匹配RCA的CMD7时,卡将取消选中。
在公用CMD线时,选中一个卡时将自动不选中其他卡。
因此,在SD卡系统中,主机具有如下功能:
初始化完成后,在公用CMD线时,不选中卡是自动完成的。
如果使用单独的CMD线,需要关注不选中卡的操作在主机和选择的SD卡之间的所有数据通信是点对点的方式。
所有寻址命令都需要响应。
不同数据传输模式的关系如图4-8所示,使用如下步骤:
所有读数据命令可以在任何时候通过停止命令(stopcommand,CMD12)中止。
数据传输将中止,卡回到传输状态(TransferState)。
读命令有:
块读命令(CMD17),多块读命令(CMD18),发送读保护(CMD30),发送scr(ACMD51),以及读模式的通用命令(CMD56)。
所有写数据命令可以在任何时候通过停止命令(stopcommand,CMD12)中止。
在
不选中卡命令CMD7前写命令必须停止。
写命令有:
块写命令(CMD24andCMD25),写CID(CMD26),写CSD(CMD27),lock/unlock命令(CMD42)以及写模式通用命令(CMD56)。
一旦数据传输完成,卡将退出数据写状态并进入ProgrammingState(传输成功)或TransferState(传输失败)。
如果一个快写操作停止,而且最后一块块长度和CRC是有效的,那么数据可以被操作(programmed)。
卡可能提供块写缓冲。
这意味着在前一块数据被操作时,下一块数据可以传送给卡。
如果所有卡写缓冲已满,只要卡在ProgrammingState,DAT0将保持低电平(BUSY)。
写CSD、CID、写保护和擦除时没有缓冲。
这表明在卡因这些命令而处于忙时,不再接收其他数据传输命令。
在卡忙时DAT0保持低电平,并处于ProgrammingState。
实际上如果CMD和DAT0线分离,而且主机占有的忙DAT0线和其他DAT0线分开,那么在卡忙时,主机可以访问其他卡。
在卡被编程(programming)时,禁止参数设置命令。
参数设置命令包括:
设置块长度(CMD16),擦除块开始(CMD32)和擦除块结束(CMD33)。
卡在操作时不允许读命令。
使用CMD7指令把另一个卡从Stand-by状态转移到Transfer状态不会中止擦除和编程(programming)操作。
卡将切换到Disconnect状态并释放DAT线。
使用CMD7指令可以不选中处于Disconnect状态的卡。
卡将进入Programming状态,重新激活忙指示。
使用CMD0或CMD15重置卡将中止所有挂起和活动的编程(programming)操作。
这可能会破坏卡上的数据内容,需要主机保证避免这样的操作。
4.1宽总线选择不选择宽总线选择/不选择
宽总线(4位总线宽度)操作模式通过ACMD6选择和不选择。
在上电后或GO_IDLE(CMD0)命令后默认的总线宽度是1位。
ACMD6命令只在“transtate”有效,即只有在卡选中后(CMD7)总线宽度才能修改。
4.2读数据格式
DAT总线在没有数据传输时处于高电平。
一个传输数据块包含一个起始位(LOW),接着连续的数据流。
数据流包含有效数据(如果使用了ECC了还包括错误纠正位)。
数据流以一个结束位(HIGH)结束。
数据传输和时钟信号同步。
以块传输的有效数据包含CRC校验和。
产生多项式是标准CCITT多项式。
x16+x12+x5+1
采用了缩短的BCH码,d=4,有效数据长度最长为2048字节。
CRC校验和对每个DAT线单独计算并附加在每个数据块后。
在宽总线模式操作(DAT0-DAT3)中,16位的CRC校验对每个DAT分别计算。
数据块读传输的基本单位是数据块,最大尺寸在CSD中定义(READ_BL_LEN)。
开始和结束地址完全包含在一个物理数据快(如READ_BL_LEN定义)中的较小的块也可以传递。
CRC附加在每个数据块的尾部用来保证数据传输的完整性。
CMD17(READ_SINGLE_BLOCK)开始一个块读操作,然后传输完成后进入Transfer状态。
CMD18(READ_MULTIPLE_BLOCK)开始连续的块传输,直到停止命令。
停止命令有一个执行延迟。
在停止命令最后一位发送完以后数据传输停止。
如果主机使用累计长度不是块对齐的部分块,在第一个不对齐块的开始,卡会发现一个块未对齐错误,在状态寄存器中设置ADDRESS_ERR错误,中止传输并等待(在Data状态)停止命令。
4.3数据写格式
数据写传输格式类似于读格式。
对于以块为单位的写数据传输,CRC检验位附加到每个数据块。
卡的每根数据线在接收到数据并在写操作前,执行CRC校验。
数据块写数据块写数据块写(CMD24-27,42,56(W)),一个或多个数据块从主机发送给卡,主机在每个数据块后附加CRC校验。
数据块长度WRITE_BL_LEN(512B)。
如果CRC校验失败,卡将在DAT数据线上指示错误。
传输的数据将被抛弃,而且后续传输的数据块(在多数据块写模式)也都会被忽略。
多数据块写命令比连续的单数据块写命令速度快。
不允许部分块写(小于512B)。
当主机试图在写保护区域写数据时写操作将中止。
在这种情况下,卡在状态寄存器设置WP_VIOLATION位,并忽略所有后续数据传输,并在Receive-data状态下等待停止命令。
对CID和CSD寄存器进行编程操作不需要实现设置块长度,传输的数据也是CRC保护的。
如果CSD或CID寄存器一部分存储于ROM中
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