詳解sd協議以及裸機和u-boot中的sd卡驅動(1)

來源：百問網論壇

作者：漸進

本文字數：4611，閱讀時長：5分鐘

1. 引入

1.1 使用場景

對於sd卡的使用，相信大家都已經很是熟悉：

1. 無文件系統首先調用初始化函數，然後便可以調用讀寫函數進行讀寫扇區的操作，但是更多的使用場景是在文件系統之上。
2. 有文件系統

• pc端，以windows為例：將sd卡（或通過usb讀卡器）插在電腦的插槽裡面，然後出現一個sd卡的盤符，點進去便可以訪問裡面的文件；
• 開發板：將sd卡插在開發板的插槽裡面，進入linux根文件系統的shell，執行mount命令掛載在某個目錄下，然後進入該目錄，便可以訪問裡面的文件；

1.2 背後原理

那麼上述使用過程背後的實現原理是什麼呢？為了更形象的講解，我畫了如下的一幅圖：

以在開發板中使用為例（不使用DMA）：

• 當我們插上sd卡後，sd卡便通過導線與s3c2440晶片引出的對應管腳相連，而這些引出的管腳最終會接到晶片內部的sd控制器上，
• 當我們需要讀sd卡時，cpu讀寫sd控制器內部的寄存器，以此來控制其發出各種信號，主要包括讀取的地址、大小等；sd控制器發出的信號通過導線傳輸到sd卡內部；sd卡接收到信號，從中解析出要讀取的地址以及大小等，並以此讀取其內部存儲單元，接著將讀取到的數據通過相同的路徑傳回到cpu內部的寄存器；cpu將獲取到的數據通過sdram控制器寫入到sdram中，完成此次讀操作。
• 當我們需要寫sd卡時，cpu通過sdram控制器讀取sdram中存儲的需要寫入到sd卡中的數據；cpu讀寫sd控制器內部的寄存器，以此來控制其發出各種信號，主要包括寫入的地址、數據等；sd控制器發出的信號通過導線傳輸到sd卡內部；sd卡接收到信號，從中解析出要寫入的地址以及數據等，並將數據寫入該地址對應的內部存儲單元。

1.3 提出問題

針對上述過程，我們重點關注以下幾個問題：

1. sd控制器與sd卡之間如何通過信號來進行數據交換？
2. cpu如何控制sd控制器來發出各種信號？

1.4 回答

1. 對於上述問題1的回答，便是sd協議所規定的內容，具體在第2章進行說明。

2. 對於上述問題2的回答，便是sd驅動的內容，具體在第3章進行說明。

2. sd協議

註：本章關於協議的內容，主要參考自sd協議書以及網絡，在此感謝這些不知名的分享者(^_^)

現在我們來回答問題1：sd控制器與sd卡之間如何通過信號來進行數據交換？

答案就是：sd協議

1. 首先，通信的第一步需要有源、目的以及媒介，所以，sd協議規定了：sd控制器與sd卡之間相連接的物理線路sd卡的引腳sd卡內部的寄存器，用來保存sd卡本身的一些信息
2. 接著，我們知道，物理線路上傳輸的肯定是一串二進位的比特流，而要想利用這些比特流進行通信，就必須要對這些比特流進行一定的組織，並且通信雙方都應該遵守，為此，sd協議規定了：這些比特流被分為三種基本的單位，包括命令、響應以及數據，每種基本單位都有固定的格式
3. 然後，基本單位以及其格式有了，sd協議在此基礎上，又將命令和響應按照功能定義了多個種類，比如：復位命令CMD0、單塊讀命令CMD17等等不同類型的響應
4. 最後，sd協議利用這些不同功能的命令以及響應，定義了一個具體的通信流程。

對於以上各部分更具體的描述，請看下文。

2.1 物理層面

2.1.1 sd卡引腳定義

我們這裡說的sd卡包括：

• 標準尺寸的sd卡
• micro sd卡

具體引腳定義如下圖所示：

2.1.2 sd卡內部寄存器定義

SD卡有六個寄存器OCR、CID、CSD、RCA、DSR以及SCR，其中前四個保存卡的特定信息，後兩個用來對卡進行配置。

• OCR寄存器保存有卡支持的工作電壓，支持的話相應的位置1，否則為0，具體內容如下：

• CID寄存器保存有卡的身份信息，具體內容如下：

• CSD寄存器保存有如何訪問卡的信息，具體內容如下：

• RCA寄存器保存有卡的地址信息
• DSR寄存器用於配置卡，默認值為0x404
• SCR寄存器保存卡的特定信息，具體內容如下：

2.2 信號格式

2.2.1 分類

sd卡與host端通信的基本單位包括：

• 命令：在CMD線上傳輸的用於啟動一個操作的比特流，由主機發往從機，可以是點對點也可以是廣播的；
• 響應：在CMD線上傳輸的用於響應命令的比特流，由從機發往主機；
• 數據：在DAT線上傳輸的用於傳輸數據的比特流，雙向傳輸；

註：

比特流：簡單來說，軟體層面表現為包含任意個0或1的2進位串，硬體層面表現為任意個高低電平；

廣播命令：給所有卡都發送，某些命令需要響應；

點對點命令：給指定地址的卡發送，需要響應；

2.2.2 命令

2.2.2.1 命令格式

總共48位，首先是1個起始位0，接著是1個方向位(主機發送位1)，6個命令位( 0-63 )，32位參數(有些命令需要)，7位CRC校驗，1個停止位，具體如下圖所示：

2.2.2.2 命令分類

卡命令根據不同的類型分成了不同的Class，見下表，其中Class0，2，4，5，8是每個卡都必須支持的命令，不同的卡所支持的命令保存在CSD中

2.2.2.3 命令詳細描述

• 基本命令Class0

• 讀命令Class2

• 寫命令Class4

• 擦除命令Class5

• 應用特定命令Class8

• 下表中的所有命令使用前都應先跟一個APP_CMD(CMD55)命令

2.2.3 響應

總共有如下四種類型的響應：

• R1：長度為48位，注意每個塊傳輸完成後有一個BUSY位

• R1b：與R1類似，只是將BUSY位加入響應中
• R2(CID CSD寄存器)：長度為136位，CID為CMD2和CMD10的響應，CSD為CMD9的響應

• R3(OCR寄存器)：長度為48位，作為ACMD41的響應

• R6(RCA地址響應)：長度為48位

2.2.4 數據

具體格式如下：

2.3 通信流程

2.3.1 工作模式

1. 卡識別模式主機上電復位後即處於此模式，它會在總線上等待卡。卡復位後也處於此模式，直到SEND_RCA(CMD3)命令到來。
2. 數據傳輸模式卡收到SEND_RCA(CMD3)命令後即進入此模式，主機識別到卡後也進入此模式

具體模式以及狀態分類如下表所示：

2.3.2 卡識別模式

此模式下主機復位總線所有的卡， 之後驗證工作電壓，詢問卡的地址，並且這個模式下所有數據的傳輸都是只通過CMD線來完成

1. 卡的復位當卡上電或收到GO_IDLE_STATE (CMD0)命令後，卡即進入Idle State狀態，此時卡將其RCA設為0，相關寄存器設為傳輸穩定的最優模式
2. 工作電壓驗證每個卡的最高和最低工作電壓存儲在OCR，只有當電壓匹配時，CID和CSD的數據才能正常傳輸給主機SD_SEND_OP_COND (ACMD41)命令用來判斷卡的工作電壓是否符合，如果不符合的話，卡應該放棄總線操作，進入Inactive State狀態。在發送SD_SEND_OP_COND (ACMD41)命令前記得要首先發送APP_CMD (CMD55)ACMD41命令響應中的BUSY位也用於卡表示其還沒準備好，主機此時應重發ACMD41命令，直到卡準備好主機在這個階段的ACMD41中不允許改變工作電壓，如果確實想改變的話，應該先發送CMD0，然後再發送改變後的ACMD41GO_INACTIVE_STATE (CMD15)命令用於使指定地址的卡進入Inactive State模式
3. 卡識別過程ALL_SEND_CID (CMD2)命令用於獲取卡的CID信息，如果卡處於Ready State，它就會在CMD線上傳送它的CID信息，然後進入Identification State模式，緊接著發送CMD3 (SEND_RELATIVE_ADDR)命令，用於設置卡新的地址，卡收到新的地址後進入Stand-by State模式

具體狀態轉換如下圖：

2.3.3 數據傳輸模式

具體狀態轉換圖如下：

說明：

1. 進入數據傳輸模式後，主機先不停的發送SEND_CSD (CMD9)命令獲取卡的CSD信息
2. SET_DSR (CMD4)用於設置卡的DSR寄存器，包括數據總線寬度、總線上卡的數目、總線頻率，當設置成功後，卡的工作頻率也隨之改變，此步操作是可選的
3. CMD7命令用於使指定地址的卡進入傳輸模式，任何指定時刻只能有一個卡處於傳輸模式，傳輸模式下所有的數據傳輸都是點對點的, 並且所有有地址的命令都需要有響應.
4. 總線寬度選擇命令ACMD6命令用於選擇總線寬度，此命令只有在Transfer State有效，應在CMD7命令後使用
5. 塊讀命令塊是數據傳輸的最小單位，在CSD (READ_BL_LEN)中定義，SD卡為固定的512B，每個塊傳輸的後面都跟著一個CRC校驗。CMD17(READ_SINGLE_BLOCK)用於傳輸單個塊，傳輸完之後，卡進入Transfer State。CMD18 (READ_MULTIPLE_BLOCK)用於多個塊的傳輸，直到收到一個CMD12命令
6. 塊寫命令與塊讀命令類似, 每個塊傳輸的後面都跟著一個CRC校驗.卡寫數據時會進行CRC校驗，另外，多塊寫比重複的單塊寫更能提高效率如果CSD中的WRITE_BLK_MISALIGN沒設置, 並且發送的數據不是塊對齊的, 卡會設置狀態寄存器中的ADDRESS_ERROR位,並且進入Receive-data-State狀態等待停止命令.此時寫操作也會停止, 並且卡會設置其的WP_VIOLATION位.如果寫緩衝滿的話, 卡會停止接受WRITE_BLOCK命令. 此時主機應發送SEND_STATUS (CMD13)命令, 卡返回數據的READY_FOR_DATA位標誌卡是否準備好接受新的數據.在多塊寫操作中通過事先發送ACMD23命令可提高寫速度. ACMD23用於定義接下來要寫數據的塊的數目. 每次多塊寫操作後, 這個值又被設為默認的1.ACMD22會使卡返回寫成功的塊數目.
7. 擦除命令擦除命令的順序是：ERASE_WR_BLK_START(CMD32)，ERASE_WR_BLK_END(CMD33)，ERASE (CMD38)如果上述命令接收到出錯信息, 卡會設置狀態寄存器中的ERASE_SEQ_ERROR 位並且重新等待新的命令時序如果接收到時序錯誤命令, 卡會設置其ERASE_RESET位並且重新等待新的命令時序

其他：

• 所有讀命令都可以由CMD12命令停止,之後卡進入Transfer State. 讀命令包括單塊讀(CMD17), 多塊讀(CMD18), 發送防寫(CMD30), 發送scr(ACMD51)和讀模式一般命令(CMD56).
• 所有寫命令都可以由CMD12命令停止. 寫命令包括單塊讀(CMD24), 多塊讀(CMD25), 寫CID(CMD26), 寫CSD(CMD27),鎖和解鎖命令(CMD42)和寫模式一般命令(CMD56).
• 參數設置命令在卡被編程時是不允許發送的, 這些命令包括設置塊長度(CMD16), 擦除塊起始(CMD32)和擦除塊結束(CMD33).
• 用CMD7使另一個卡進入Transfer State不會終止當前卡的編程和擦除, 當前卡會進入Disconnect State並且釋放DAT線.
• Disconnect State模式的卡可通過CMD7重新被選中,此時卡進入Programming State並且使能busy信號.
• 防寫管理，有如下三種機制:防寫物理開關卡內部防寫：通過設置CSD中的WP_GRP_ENABLE位和WP_GRP_SIZE位, SET_WRITE_PROT和CLR_WRITE_PROT命令用來設置和清除保護機制密碼保護

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