SD卡的基本结构和原理是什么？结合S3C2410后有什么应用？

1 引言

SD卡（ Secure DigitalMemory Card）是一种基于Flash的新一代存储器，它着重数据存储的安全、容量和性能，是许多便携式电子产品如数码相机、手提电话， PDA 等理想的外部存储介质。

2　SD的基本概念 2. 1　SD的通信协议

SD卡系统可以在两种通信协议下工作： SD协议和SP I协议。用户可以在硬件初始化时自由选择SD卡系统的通信协议。对于特定的硬件电路，用户只需使用一种通信协议即可。

本文根据笔者的硬件，仅讨论最常用的SD协议。

2. 2　SD数据传输方式

SD支持两种数据传输方式： 1 - bit方式（标准总线）和4- bit方式（宽总线） 。在1 - bit方式下，数据仅仅在数据线0（DAT［ 0 ］ ） 上传输。在4 - bit方式下， 数据在4 根数据线（DAT［ 3： 0 ］ ）上同时传输。在4 - bit数据传输方式下，最高的数据传输速率可达100Mb / sec。表1列出了在两种方式下SD接口信号的定义。

上电后， 缺省状态下系统工作于1 - bit方式。在SD卡处于传输状态时， 用户可以自由地更改为1 - bit或4 - bit方式。

2. 3　SD 通信原理

SD总线是一个星型的总线结构，系统中允许有一个主控器，最多可达十个从设备（ SD卡） 。在系统初始化时，主控器分别为每一个设备分配一个设备地址，此后主控器就可以根据此设备地址独立 *** 作该设备。

SD总线通信是基于命令和数据位流的，每一个数据流都包括一个起始位和一个结束位。

每一个SD命令表征一个卡 *** 作的开始。SD命令由命令线（CMD）进行传输。

SD卡在接收到命令后，会向主控器发送一个应答信号，表征已经接收了一个命令。应答信号传输在CMD线上。有小部分的命令是没有应答信号的，这取决于命令的类型。

SD数据传输是双向。所有的数据传输都在数据线上进行。

2. 4　SD系统中的数据组织格式

SD系统中的命令传输、应答信号传输和数据传输都有各自专门的组织形式，如图1。

所有的命令字、应答和数据的第一位都为起始位“0”，最后一位为结束位“1”。

命令字和应答中的第二位为发送者标志位，“1”表示主控器命令，“0”表示SD卡应答信号。

SD卡根据所接收命令字的不同，有R1， R2， R3和R6四种不同的应答，具体可参考SD相关文档。

在进行数据传输时，如果使用宽总线传输方式，同一时间有四位数据在传输，分别使用四根数据线。每根数据线上的CRC校验码是独立计算的。

3　SD卡 *** 作流程

SD系统所有的通信都由主控器控制。主控器必须负责系统的初始化，设置通信中必需的各种参数，然后再发起数据读取或写入 *** 作。在这一系列过程中， SD卡可能处于如表2所示的各种状态中的一种。

3. 1　系统初始化

此阶段系统的 *** 作模式属于卡鉴别模式。

主控制器首先发送命令字CMD0重置所有系统中处于鉴别模式中的卡。接收到命令CMD0后， SD卡将被初始化，并获得一个缺省的地址0 （相对卡地址寄存器RCA = 0x0） 。

接着主控器以自己要求的工作电压范围为参数发送命令ACMD41查询SD卡的OCR （工作环境寄存器） 。工作电压不在此要求范围内的卡将被排除在进一步的总线 *** 作之外并进入非活动状态。符合电压范围要求的卡将进入就绪状态。

紧接下来主控器发送命令CMD2以获得SD卡的标识号CID。SD卡发送了CID号后进入识别状态。

最后，主控器以相对地址为参数发送命令CMD3， SD卡接收到命令后用该参数更新自己的RCA。此后主控器就可以使用此地址寻址该卡。

初始化完成后， SD卡就处于了数据传输模式的等待状态，这是数据传输模式的初始状态。此时通过卡选择命令CMD7就进入传输状态，可以进行数据的写入与读出了。

3. 2　SD写 *** 作

SD卡的读写是以数据块为基本单位的。数据块的大小因卡而异，通常块大小为512字节（Byte）到2048字节。特定卡的数据块的大小在卡的特性寄存器（CSD）中有定义。特殊情况下，部分卡支持小块（最小可以字节为单位）读写。但推荐以块为单位进行读写。

SD卡支持单块写入和多块写入。单块写入使用命令CMD24，多块写入使用命令CMD25。当有多个数据块要写入时，使用多块写入要比多次执行单块写入能获得更高的效率。

由于SD卡内部具有缓存区，上述过程SD卡处于接收数据状态，接收到的数据并未真正写入到SD卡的记忆体（memo2ry）内，而是存放在SD卡的缓存区内。当接收数据完成后， SD卡自动进入数据编程状态，这才真正地把数据写入SD卡的记忆体内。

3. 3　SD读 *** 作

与写 *** 作对应， SD卡支持单块读取和多块读取。单块读取使用命令CMD17，多块读取使用命令CMD18。当有多个数据块要读取时，使用多块读取要比多次执行单块读取能获得更高的效率。

4　基于S3C2410的应用

三星的S3C2410是一款32位嵌入式处理器，其内建了一个SD主控器，兼容SD 1. 0、MMC 2. 11和SD IO 1. 0版本。使用S3C2410可以方便地与SD卡接口。

4. 1　S3C2410和SD卡的接口

S3C2410与SD卡的接口如图2所示。其中nCD_SD为卡侦测信号，WP_SD为卡的写保护信号。对于简单的写 *** 作，只需在写入前检测WP_SD位。

4. 2　使用S3C2410对SD卡进行读写

在通常的SD读写 *** 作中，可以使用查询方式、中断方式或DMA。当SD卡处于传输状态后，先重置S3C2410发送缓冲区、选择总线宽度、选择读数据或写数据、选择读写数据块的数量，选择读写数据块的起始地址，写入读或写命令字，然后根据要读写的数据块数目连续地从/向SD数据缓冲区中读出或写入一个或多个数据块。以下代码可以使用查询方式向SD卡写入一个或多个数据块：

对SD卡进行读 *** 作的流程与写 *** 作类似，仅是使用的命令字不同。用户可根据写 *** 作代码进行修改。

5　结束语

随着越来越多的电子产品支持SD存储卡， SD卡的应用范围越来越广。由32位嵌入式处理器S3C2410和SD卡结合构成的存储系统，为用户提供了安全、轻便的存储解决方案。SD卡功能较多，所有 *** 作并非本文能讲述清楚的。但通过本文的介绍，读者可以对SD有一个概念上的了解，并清楚其基本的 *** 作过程，进而加以延伸。