[FatFs 学习] SD卡总结-SPI模式

SD卡为移动设备提供了安全的，大容量存储解决方法。它本身可以通过两种总线模式和MCU进行数据传输，一种是称为SD BUS的4位串行数据模式，另一种就是大家熟知的4线SPI Bus模式。一些廉价，低端的MCU，通过硬件（或软件）SPI就能和SD卡进行通信，实现大容量存储的要求，这也是SD卡的魅力所在。

一、引脚定义

SD BUS模式下，信号包括4根数据线DAT3～DAT0，一根命令传输线CMD和一根时钟同步线；而在SPI模式下，只需要4跟信号线，分别为一根SD卡数据输出，一根SD卡数据输入，一根时钟同步和一根片选线。右图所示是SD卡的引脚定义，左边为标准SD卡，右边为Micro SD卡（也叫TF卡）。

二、SPI模式

在SPI模式下，数据都是以字节（Byte）为单位进行传输的。此时SD卡作为从机设备，一般的操作是MCU发送带有参数的命令，SD卡接收到命令和参数后进行操作，并且返回响应，MCU根据返回的响应进行下一步操作。

命令

SD卡的命令有6个字节（48位），由以下几部分组成：第一字节的最高位b7为起始位，始终为0，接下来为传输位，始终为1，b5-b0为命令代码；第2～5字节为命令的参数，共4个字节；最后一个字节的前7为CRC7校验位，最后一位为停止位，始终为1。

每一条命令都是从片选信号（CS）的下降沿开始，SD卡接收到指令以后，都需要有一个指令响应时间（N_CR），一般需要8个到64个时钟周期。SPI的指令简记为CMD<n>，<n>表示指令内容的十进制值，对于没有参数的指令，参数为内容要用0来填充。下表列出了SPI模式下常用的指令

命令	参数	响应类型	简写	描述
CMD0	0	R1	GO_IDLE_STATE	软件复位
CMD8	（*1）	R7	SEND_IF_COND	发送MCU的电压范围，检测SD卡是否满足MCU的电压范围
ACMD41（*2)	（*3）	R1	SD_SEND_OP_COND	开始SD卡初始化和检测SD卡是否完成初始化
CMD9	0	R1	SEND_CSD	读取CSD寄存器的值
CMD10	0	R1	SEND_CID	读取CID寄存器的值
CMD12	0	R1b	STOP_TRANSMISSION	停止读取操作
CMD16	数据块长度[31:0]	R1	SET_BLOCKLEN	设置数据块长度（*4）
CMD17	地址[31:0]	R1	READ_SINGLE_BLOCK	读取单个数据块
CMD18	地址[31:0]	R1	READ_MULTIPLE_BLOCK	读取多个块数据
CMD24	地址[31:0]	R1	WRITE_BLOCK	写单个块数据
CMD25	地址[31:0]	R1	WRITE_MULTIPLE_BLOCK	写多个块数据
CMD55	0	R1	APP_CMD	定义下一条命令为ACMD<n>命令
CMD58	0	R3	READ_OCR	读取OCR寄存器

*1 : [31:12]为0，[11:8]为VHS值，[7:0]Check Pattern，可以为任意值，用于检测SD卡通信是否正确的。若该命令的返回值最后一字
节和Check pattern值相同，说明SPI通信成功。
*2 : 发送ACMD<n>之前需要先发送CMD55命令。
*3 : [31],[29:0]为0，[30]位为HCS，若MCU支持SDHC或者SDXC卡类型，HCS为0，支持则为1。
*4 : 对于SDSC卡类型，块长度有CMD16来设定。而对于SDHC和SDXC卡类型，数据块长度始终为512字节，此命令不会影响数据块长度。

响应

不同的命令，响应的格式和长度也不同。

R1是一个1字节长的的响应，最高位始终为0，其余各位为状态位（如右图所示）。R3响应的格式是R1+OCR寄存器，OCR是一个32位的寄存器，存放的是SD卡的操作电压范围。R7响应也是由R1+32位长的数据组成。

另一个响应是R1b响应，他是在R1的基础上增加了一个忙碌（Busy）状态指示：当R1的值为0时，表示SD卡处于忙碌状态，而当R1为任何不为0的值时，SD卡才能开始接收下一条命令。

三、初始化操作

SPI模式下的初始化操作有：上电->进入SPI模式（CMD0）->检测当前MCU电压是否符合SD卡的要求（CMD8)->开始初始化(ACMD41)->读取卡类型(CMD58)

初始化过程中，SD卡时钟信号周期需为100KHz～400KHz之间，不能大于400KHz。

上电

当电压达到SD卡的最小工作电压的后，MCU必须使CS，DI为高电平，输出最少74个时钟脉冲后，才能开始发送第一个命令。

初始化过程

SD卡上电后处于SD Bus模式，使CS保持为0，并且发送CMD0命令，SD卡就会进入到SPI模式。在SPI模式下，命令的CRC校验功能默认是禁止的（CMD8命令

除外），但是发送第一个CMD0命令时，SD卡是处于SD Bus模式，该模式下CRC校验功能是启动的，因此第一个CMD0命令必须要有正确的CRC校验。正确的CMD0命

令应为：0x40, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x95。

CMD8用于检测SD卡接口电压是否满足要求，该命令的参数包括当前MCU接口的电压范围VHS([11:8]),以及用于检测通信的Check Pattern（[7:0]）。如果SD

卡能满足当前MCU的接口电压，它就会返回VHS和Check Pattern的值。需要注意的是，CMD8的CRC校验值必须正确，假如CRC校验不对，SD卡返回的R1值中的

CRC错误位就会置1。

ACMD41命令用于开始初始化SD卡及检测其是否完成初始化。该命令的参数HCS（[30]）表示MCU是否支持SDHC和SDXC，若支持HCS置1，反之置0。如果

ACDM41命令返回R1的值为0x01,说明SD卡正在初始化，MCU需要重复发送ACMD41，直到返回值R1为0。

初始化完成后，通过发送CMD58指令读取卡的类型（OCR寄存器的CCS位[30]), CCS为1表示当前卡的类型为SDXC或者SDHC，为0表示卡的类型为SDSC。

四、数据读写操作

MCU和SD卡间的数据交换都是以数据包为单位进行的。一个完整的数据包包括数据标识符（Token），数据块内容，CRC校验值。根据不同的命令，数据的起

始标识符会不一样，如右图所示。写入数据后，SD卡会立即返回一个数据响应（区别于命令响应），MCU可根据该响应来判断数据是否传输正确。

对于SDSC卡类型，数据块的长度（字节为单位）可以通过CMD16来设定，最小1个字节，最大2048个字节。对于SDXC和SDHC卡，数据块长度始终为512字节，CMD16不会影响数据块的长度。
SPI模式下，CRC校验功能是关闭的，因此CRC校验值可以为任意值。

读取单个数据块

MCU发出读取单个数据块命令CMD17，若SD卡返回响应无错误（返回0），则开始等待数据块起始标识符0xFE, 然后开始读取数据块和CRC校验。

读取多个数据块

读取多个数据块操作和读取单个数据块的相似，先发送命令CMD18，然后开始等待数据块的起始标识符。需要停止读取操作时，发送CMD12命令，返回响应为0表示

SD卡处于忙碌状态，只有返回任何不为0的值后，MCU才能发送下一条命令。

写入单个数据块

当SD卡接收到写入单个数据块的命令CMD24后，首先发送数据块起始标识（0xFE），然后发送发送数据块内容和CRC校验，如果未启用CRC校验功能，CRC可以为

任意值。SD卡在接收到数据包后回返回数据响应，若无错误，则SD卡就开始写入数据，此时DO信号将被拉低，表示SD卡正处于忙碌状态，不能接收命令。只有当

DO不为0时，MCU才能发送下一条命令。

写入多个数据块

和写入单个数据块不同的是，当SD卡接收到写入多个数据块命令CMD25后，发送数据包起始符为（0xFC), 只有当DO不为0时，才能继续发送第二个数据包。如果要

结束写入操作，则发送停止发送标识符（0xFD)。

读取CID和CSD

读取CID和CSD寄存器的操作和读取单个数据块的操作相似，仅仅是命令和数据块长度不同。CID和CSD寄存器的定义请参照SD卡协议。

四、链接

1. How to Use MMC/SDC

2. [PDF]SD卡协议

3. SD/MMC时序图