一、SD/MMC/SDIO概念区分

SD(SecureDigital)与 MMC(MultimediaCard)

SD 是一种 flash memory card 的标准，也就是一般常见的 SD 记忆卡，而 MMC 则是较早的一种记忆卡标准，目前已经被 SD 标准所取代。在维基百科上有相当详细的 SD/MMC 规格说明：

SDIO(SecureDigital I/O)

SDIO 是目前我们比较关心的技术，SDIO 故名思义，就是 SD 的 I/O 接口(interface)的意思，不过这样解释可能还有点抽像。更具体的说明，SD 本来是记忆卡的标准，但是现在也可以把 SD 拿来插上一些外围接口使用，这样的技术便是 SDIO。

所以 SDIO 本身是一种相当单纯的技术，透过 SD 的 I/O 接脚来连接外部外围，并且透过 SD 上的 I/O 数据接位与这些外围传输数据，而且 SD 协会会员也推出很完整的 SDIO stack 驱动程序，使得 SDIO 外围(我们称为 SDIO 卡)的开发与应用变得相当热门。

现在已经有非常多的手机或是手持装置都支持 SDIO 的功能(SD 标准原本就是针对 mobile device 而制定)，而且许多 SDIO 外围也都被开发出来，让手机外接外围更加容易，并且开发上更有弹性(不需要内建外围)。目前常见的 SDIO 外围(SDIO 卡)有：Wi-Fi card(无线网络卡)

CMOS sensor card(照相模块)

GPS card

GSM/GPRS modem card

Bluetooth card

Radio/TV card(很好玩)

SDIO 的应用将是未来嵌入式系统最重要的接口技术之一，并且也会取代目前 GPIO 式的 SPI 接口。

SD/SDIO 的传输模式

SD 传输模式有以下 3 种：SPI mode(required)

1-bit mode

4-bit mode

SDIO 同样也支持以上 3 种传输模式。依据 SD 标准，所有的 SD(记忆卡)与 SDIO(外围)都必须支持 SPI mode，因此 SPI mode 是「required」。此外，早期的 MMC 卡(使用 SPI 传输)也能接到 SD 插糟(SD slot)，并且使用 SPI mode 或 1-bit mode 来读取。

Secure digital I/Ocard，pin out

SD 的 MMCMode

SD 也能读取 MMC 内存，虽然 MMC 标准上提到，MMC 内存不见得要支持 SPI mode(但是一定要支持 1-bit mode)，但是市面上能看到的 MMC 卡其实都有支持 SPI mode。因此，我们可以把 SD 设定成 SPI mode 的传输方式来读取 MMC 记忆卡。

SD 的 MMC Mode 就是用来读取 MMC 卡的一种传输模式。不过，SD 的 MMC Mode 虽然也是使用 SPI mode，但其物理特性仍是有差异的：MMC 的 SPI mode 最大传输速率为 20 Mbit/s；

SD 的 SPI mode 最大传输速率为 25 Mbit/s。

为避免混淆，有时也用 SPI/MMC mode 与 SPI/SD mode 的写法来做清楚区别。

参考网站：

二、MMC子系统介绍

MMC代码分布

MMC子系统代码主要在drivers/mmc目录下，共有三个目录：Card：存放闪存卡(块设备)的相关驱动，如MMC/SD卡设备驱动，SDIOUART；

Host：针对不同主机端的SDHC、MMC控制器的驱动，这部分需要由驱动工程师来完成；

Core：整个MMC的核心层，这部分完成不同协议和规范的实现，为host层和设备驱动层提供接口函数。

MMC子系统框架

Linux MMC子系统主要分成三个部分：MMC核心层：完成不同协议和规范的实现，为host层和设备驱动层提供接口函数。MMC核心层由三个部分组成：MMC，SD和SDIO，分别为三类设备驱动提供接口函数；

Host 驱动层：针对不同主机端的SDHC、MMC控制器的驱动；

Client 驱动层：针对不同客户端的设备驱动程序。如SD卡、T-flash卡、SDIO接口的GPS和wi-fi等设备驱动。

三、SD 总线协议

SD总线通信是基于指令和数据比特流，起始位开始和停止位结束。SD总线通信有三个元素：Command：由host发送到卡设备，使用CMD线发送；

Response：从card端发送到host端，作为对前一个CMD的相应，通过CMD线发送；

Data：即能从host传输到card，也能从card传输到host，通过data线传输。

Commands

以下是四种用于控制卡设备的指令类型，每个command都是固定的48位长度：

1、broadcast commands(bc)， no response：广播类型的指令，不需要有响应;

2、broadcast commands with response(bcr)：广播类型的指令且需要响应;

3、addressed(point-to-point) commands(ac)：由HOST发送到指定的卡设备，没有数据的传输;

4、address(point-to-point) data transfercommands(adtc)：由HOST发送到指定的卡设备且伴随有数据传输。

指令格式：Card register

几个主要的寄存器：OCR,CID,CSD,RCA和SCR。

Operation condition register(OCR)：32位的OCR包含卡设备支持的工作电压表；

Card identification number register (CID)：包含用于在卡识别阶段的卡信息，包括制造商ID，产品名等；

Card specific data register(CSD)：CSD寄存器提供了如何访问卡设备的信息，包括定义了数据格式，错误校验类型，最大访问次数，数据传输率等；

Relative card address register(RCA)：存放在卡识别阶段分配的相对卡地址，缺省相对卡地址为0000h；

SD card configuration register(SCR)：SCR是一个配置寄存器，用于配置SD memory card的特殊功能。

Response

所有的response都通过CMD线发送到host端，R4和R5响应类型是SDIO中特有的：

1、R1(normal response command)：用来响应常用指令；

2、R2(CID,CSD register)：用来响应CMD2和CMD10或CMD9，并把CID或CSD寄存器作为响应数据；

3、R3(OCR register):用来响应ACMD41指令，并把OCR寄存器作为响应数据；

4、R6(published RCA response)：分配相对卡地址的响应；

5、R7(card interface condition)：响应CMD8，返回卡支持的电压信息；

6、R4(CMD5)：响应CMD5，并把OCR寄存器作为响应数据；

7、R5(CMD52)：CMD52是一个读写寄存器的指令，R5用于CMD52的响应；

Response 格式：

***详情请参考spec***

四、SD初始化流程

当host上电后，使所有的卡设备处于卡识别模式，完成设置有效操作电压范围，卡识别和请求卡相对地址等操作。

1、发送指令CMD0使卡设备处于idle状态；

2、发送指令CMD8，如果卡设备有response，说明此卡为SD2.0以上；

3、发送指令CMD55+ACMD41，该指令是用来探测卡设备的工作电压是否符合host端的要求；在发送ACMD41这类指令之前需要先发送CMD55指令，在SDIO中ACMD41指令被CMD5替代。

4、发送指令CMD11转换工作电压到1.8V；

5、发送指令CMD2获取CIA；

6、发送指令CMD3获取RCA(relative card address)

SD初始化分析

系统上电时，SDI控制器会去扫描总线上的所有设备，然后对挂在总线上卡设备进行初始化。进行扫描和初始化工作都是由mmc_scan函数来完成，以下是Linux驱动中初始化流程图(感谢同事Linkin的图)。SDIO、SD和MMC这三者的初始化流程稍有不同，是向下兼容的。

五、SD卡调试关键点：

1. 上电时要延时足够长的时间给 SD 卡一个准备过程，在我的程序里是 5 秒，根据不同的卡设置不同的延时时间。SD 卡初始化第一步在发送 CMD 命令之前，在片选有效的情况下首先要发送至少 74 个时钟，否则将有可能出现 SD 卡不能初始化的问题。

2. SD 卡发送复位命令 CMD0 后，要发送版本查询命令 CMD8 ，返回状态一般分两种，若返回 0x01 表示此 SD 卡接受 CMD8, 也就是说此 SD 卡支持版本 2 ；若返回 0x05 则表示此 SD 卡支持版本 1 。因为不同版本的 SD 卡操作要求有不一样的地方，所以务必查询 SD 卡的版本号，否则也会出现 SD 卡无法正常工作的问题。

3. 理论上要求发送 CMD58 获得 SD 卡电压参数，但实际过程中由于事先都知道了 SD 卡的工作电压，因此可省略这一步简化程序。协议书上也建议尽量不要用这个命令。

4. SD 卡读写超时时间要按照协议说明书书上的给定值 ( 读超时：100ms ；写超时：250ms) ，这个值要在程序中准确计算出来，否则将会出现不能正常读写数据的问题。我自己定义了一个计算公式：超时时间 =( 8/clk )*arg

5. 2GB 以内的 SD 卡 ( 标准卡 ) 和 2GB 以上的 SD 卡 ( 大容量卡 ) 在地址访问形式上不同，这一点尤其要注意，否则将会出现无法读写数据的问题。如标准卡在读写操作时，对读或写命令令牌当中的地址域符初值 0x10 ，表示对第 16 个字节以后的地址单元进行操作 ( 前提是此 SD 卡支持偏移读写操作 ) ，而对大容量卡读或写命令令牌当中的地址域符初值 0x10 时，则表示对第 16 块进行读写操作，而且大容量卡只支持块读写操作，块大小固定为 512 字节，对其进行字节操作将会出错。

6. 对某一块要进行写操作时最好先执行擦出命令，这样写入的速度就能大大提高。进行擦除操作时不管是标准卡还是大容量卡都按块操作执行，也就是一次擦除至少 512 字节。

7. 对标准卡进行字节操作时，起始和终止必须在一个物理扇区内，否则将不能进行读写操作。实际操作过程中建议用块操作以提高效率。不管是标准卡还是大容量卡一个读写命令只能对一个块进行操作，不允许跨物理层地址操作。

8. 在写数据块前要先写入若干个 dummy data 字节，写完一个块数据时，主机要监测 MISO 数据线，如果从机处于忙状态这根数据线会保持低电平，这样主机就可以根据这根数据线的状态以决定是否发送下一个命令，在从机没有释放 MISO 数据线之前，主机绝对不能执行其他命令，否则将会导致写入的数据出错，而且从机也不会响应主机的命令。

9. 在 SPI 模式下， CRC 校验是被忽略的，但依然要求主从机发送 CRC 码，只是数值可以是任意值，一般主机的 CRC 码通常设为 0x00 或 0xFF 。

读多块操作和写多块操作的传输停止形式不一样，读多块操作时用用命令 CMD12 终止传输，而写多块操作时用 Stop Tran Token( 停止传输令牌，值为 0xFD) 终止传输。

1、初始化步骤：

(1)延时至少 74clock，等待SD卡内部操作完成，在MMC协议中有明确说明。

(2)CS低电平选中SD卡。

(3) 发送 CMD0 ，需要返回 0x01 ，进入 Idle 状态

(4) 为了区别SD卡是2.0还是1.0，或是MMC卡，这里根据协议向上兼容的原理，首先发送只有SD2.0才有的命令CMD8，如果CMD8返回无错误，则初步判断为2.0卡，进一步发送命令循环发送 CMD55+ACMD41 ，直到返回 0x00 ，确定SD2.0卡初始化成功，进入Ready 状态，再发送CMD58命令来判断是HCSD还是SCSD，到此SD2.0卡初始化成功 。如果CMD8返回错误则进一步判断为1.0卡还是MMC卡，循环发送CMD55+ACMD41 ，返回无错误，则为SD1.0卡，到此SD1.0卡初始成功，如果在一定的循环次数下，返回为错误，则进一步发送CMD1进行初始化，如果返回无错误，则确定为MMC卡，如果在一定的次数下，返回为错误，则不能识别该卡，初始结束。

(5)CS拉高。

2、读步骤：

(1) 发送 CMD17 (单块)或 CMD18 (多块)读命令，返回 0x00

(2) 接收数据开始令牌 0xfe (或 0xfc ) + 正式数据 512Bytes + CRC 校验 2Bytes, 默认正式传输的数据长度是 512Bytes ，可用 CMD16 设置块长度。

3、 写步骤：

(1) 发送 CMD24 (单块)或 CMD25 (多块)写命令，返回 0x00

(2) 发送数据开始令牌 0xfe (或 0xfc ) + 正式数据 512Bytes + CRC 校验 2Bytes

4、 擦除步骤：

(1) 发送 CMD32 ，跟一个参数来指定首个要擦除的起始地址( SD 手册上说是块号)

(2) 发送 CMD33, ，指定最后的地址

(3) 发送 CMD38 ，擦除指定区间的内容

此 3 步顺序不能颠倒。

六、SD卡的命令格式及解析

1.SD卡命令组成

SD卡的指令由6字节(Byte)组成，如下：

Byte1：0 1 x x x x x x(命令号，由指令标志定义，如CMD39为100111即16进制0x27，那么完整的CMD39第一字节为01100111，即0x27+0x40)

Byte2-5:Command Arguments,命令参数，有些命令没有参数

Byte6:前7位为CRC(Cyclic Redundacy Check，循环冗余校验)校验位，最后一位为停止位0

2.SD卡的命令

SD卡命令共分为12类，分别为class0到class11，不同的SDd卡，主控根据其功能，支持不同的命令集，如下:

Class0 :(卡的识别、初始化等基本命令集)

CMD0:复位SD 卡.

CMD1:读OCR寄存器.

CMD9:读CSD寄存器.

CMD10:读CID寄存器.

CMD12:停止读多块时的数据传输

CMD13:读 Card_Status 寄存器

Class2 (读卡命令集):

CMD16:设置块的长度

CMD17:读单块.

CMD18:读多块,直至主机发送CMD12为止 .

Class4(写卡命令集) :

CMD24:写单块.

CMD25:写多块.

CMD27:写CSD寄存器 .

Class5 (擦除卡命令集):

CMD32:设置擦除块的起始地址.

CMD33:设置擦除块的终止地址.

CMD38: 擦除所选择的块.

Class6(写保护命令集):

CMD28:设置写保护块的地址.

CMD29:擦除写保护块的地址.

CMD30: Ask the card for the status of the write protection bits

class7：卡的锁定，解锁功能命令集

class8：申请特定命令集 。

class10 －11 ：保留

3.有关sd卡驱动和fat fs的实现用了3个文件来实现。

sdboot.c为sd的驱动(可理解为pdd)层，主要实现一些对sd控制器的配置以及一些基本sd命令的实现和对sd 卡的操作。

sdmmc.c实现了从sd卡读取nk并跳到内存去运行的代码(基本可以理解为sd驱动的mdd层)。

sdfat.c文件就是实现fat fs的。mdd层通过fatfs来对pdd层操作以实现读取文件。

在整个过程中遇到了很多问题，现在列举如下：

1)sd卡初始化问题

配置gpio有关sd的功能：SDCMD, SDDAT[3:0]。

使能CLKCON中的SDI位。

时钟以及计算公式：SDIPRE = PCLK/(CLK)-1;INICLK=300000；SDCLK=24000000；MMCCLK= 15000000

cmd0-cmd55-cmd41-cmd2-cmd3-cmd7-cmd6-cmd17

2)对sd卡操作问题

SD卡包括：一个标识寄存器CID，一个相应地址寄存器RCA，一个其他参数寄存器CSD。

对sd卡的操作是驱动通过sd controller来发相应的命令以达到读写等操作 的：发送命令通过SDICmdCon[7：0]的除了开始2bit：CmdIndex放置要发送的命令号；SDICmdCon[8]开始发送命令来完成的。

检测卡的插入，直接用中断引脚的电平来判断。

判断插入的卡是否是sd卡，用命令cmd55和cmd41，因为mmc卡对cmd55不做回应。

命令9 就是获取sd卡中csd寄存器的值的，该值包括很多sd卡的信息，其中就有sd卡的容量。这个值在sd卡接收到cmd9之后会以response的形式存放在sd控制器的SDI Response Register[0，1，2，3]中。在执行cmd9，cmd10等这样的命令的时候，卡的状态应该是不选中的，或直接在执行它们之前发送 cmd7(0)不选中卡，不然的话会timeout。

用cmd17 来读取单个block的数据，该命令要带地址参数(该参数通过cmd3命令来获取)，然后根据SDIDSTA和SDIFSTA状态值来从sd 控制器的SDIDAT寄存器中读出要读的数据。该命令与cmd9相反，在执行它之前要选中卡。读完一个block之后要做一些善后工作，为下次读取做好准备，不然的话checkcmdend就要一直循环了。因为用的是每次都读一个block，并地址要以block对齐，这样就要考虑要读取的地址是否是 block对齐的，长度是否够一个block。

SDIDCON这个数据控制寄存器也很重要，一些对数据的操作形式就是在这里设置的。

3)fat文件系统问题

根据MBR找到分区表，根据分区表找到该分区MBR[446B+4个分区表(每个16B)+2B结束符)

分区表中的第9-12字节为该分区的启始地址(单位没sector)，第13-16字节为分区的长度(单位也是sector)