如何使用MMC / SDC
該安全數字存儲卡（以下SDC）是一個用於移動設備的事實上的標準存儲卡。SDC被開發爲與多媒體卡（下面的MMC）的上部兼容。在大多數情況下，SDC完井設備也可以使用MMC。還有縮小尺寸的版本，例如RS-MMC，miniSD和microSD，具有相同的功能。MMC / SDC中有一個微控制器。閃存控制（塊大小轉換，糾錯和磨損級別 - 稱爲FTL）在存儲卡內部完成。數據以512字節爲單位作爲數據塊在存儲卡和主機控制器之間傳輸，因此從上層層的視點可以看作是像通用硬盤驅動器那樣的塊設備。
本頁介紹了使用MMC / SDC和小型嵌入式系統時所瞭解的基本知識和其他內容。我相信這些信息對於將要在電子手工項目中使用MMC / SDC的人來說必須是一個有用的入門說明。
引腳
右圖顯示了SDC / MMC的接觸面。MMC有七個接觸墊。SDC有九個接觸墊，與MMC有兩個額外的接觸點。三個觸點被分配用於供電，因此有效信號的數量是四個（MMC）和六個（SDC）。因此，主機和卡之間的數據傳輸是通過同步串行接口完成的。
工作電源電壓範圍由操作條件寄存器（OCR）指示，應在讀卡時確認卡初始化時的工作電壓範圍。但是，電源電壓也可以固定在3.0到3.3伏之間，而不需要任何確認，因爲所有MMC / SDC的工作電壓至少爲2.7到3.6伏。請勿向卡提供5.0伏電壓，否則卡會立即損壞。寫入操作的電流消耗可達到大約10毫安，因此主機系統應考慮向該卡提供100毫安。
SPI模式
SPI模式的最小設置
本文檔介紹了用於控制MMC / SDC的SPI模式。SPI模式是一種替代操作模式，定義爲在沒有本機主機接口的情況下使用MMC / SDC。與其本機操作模式相比，SPI模式的通信協議有點簡單。MMC / SDC可通過通用SPI接口或某些GPIO端口連接到大多數微控制器。因此，SPI模式適用於低成本嵌入式應用，無需本機主機接口。有四種不同的SPI模式，0到3，取決於時鐘相位和極性。SPI模式0是爲SDC定義的。對於MMC，它不是SPI規範，鎖存和移位操作都是在SCLK的上升沿定義的，但它似乎在SPI模式下工作在模式0。因此SPI模式爲0（CPHA = 0，CPOL = 0）是控制MMC / SDC的正確設置，但模式3（CPHA = 1，CPOL = 1）在大多數情況下也能正常工作。DO上的上拉不能被省略，或者某些卡將無法初始化過程。
命令和響應
在SPI模式下，信號線上的數據方向是固定的，數據以字節爲單位的串行通信傳輸。從主機到卡的命令幀是固定長度的數據包，如下所示。當卡驅動DO爲高時，該卡已準備好接收命令幀。在向卡發送命令幀之後，從卡發回對命令（R1，R2，R3或R7）的響應。由於數據傳輸由主機控制器生成的串行時鐘驅動，因此主機控制器必須繼續讀取數據，發送0xFF並獲取接收字節，直到檢測到有效響應。在讀傳輸期間，DI信號必須保持高電平（發送0xFF並獲取接收的數據）。響應在命令響應時間內發回（N CR），SDC爲0到8個字節，MMC爲1到8個字節。在發送命令幀之前必須將CS信號從高電平變爲低電平，並在事務期間將其保持爲低電平（命令，響應和數據傳輸，如果存在）。在SPI模式下，CRC功能是可選的。卡不會檢查命令幀中的CRC字段。
SPI命令集
每個命令都以縮寫形式表示，如GO_IDLE_STATE或CMD <n>，<n>是命令索引的編號，值可以是0到63.下表僅描述了通常用於通用讀/寫和卡的命令初始化。有關所有命令的詳細信息，請參閱MMCA和SDA的規格表。
| 指揮 指數 |
爭論 | 響應 | 數據 | 縮寫 | 描述 |
|---|---|---|---|---|---|
| CMD0 | 無（0） | R1 | 沒有 | GO_IDLE_STATE | 軟件重置。 |
| CMD1 | 無（0） | R1 | 沒有 | SEND_OP_COND | 啓動初始化過程。 |
| ACMD41（* 1） | * 2 | R1 | 沒有 | APP_SEND_OP_COND | 僅適用於SDC。啓動初始化過程。 |
| CMD8 | * 3 | R7 | 沒有 | SEND_IF_COND | 僅適用於SDC V2。檢查電壓範圍。 |
| CMD9 | 無（0） | R1 | 是 | SEND_CSD | 讀CSD寄存器。 |
| CMD10 | 無（0） | R1 | 是 | SEND_CID | 讀CID寄存器。 |
| CMD12 | 無（0） | R1B | 沒有 | STOP_TRANSMISSION | 停止閱讀數據。 |
| CMD16 | 塊 長[31：0] |
R1 | 沒有 | SET_BLOCKLEN | 更改R / W塊大小。 |
| CMD17 | 地址[31：0] | R1 | 是 | READ_SINGLE_BLOCK | 讀一個街區。 |
| CMD18 | 地址[31：0] | R1 | 是 | READ_MULTIPLE_BLOCK | 讀多個塊。 |
| CMD23 | 塊數[15：0] |
R1 | 沒有 | SET_BLOCK_COUNT | 僅適用於MMC。 使用下一個多塊讀/寫命令定義要傳輸的塊數。 |
| ACMD23（* 1） | 塊數[22：0] |
R1 | 沒有 | SET_WR_BLOCK_ERASE_COUNT | 僅適用於SDC。 使用下一個多塊寫入命令定義要預擦除的塊數。 |
| CMD24 | 地址[31：0] | R1 | 是 | WRITE_BLOCK | 寫一個塊。 |
| CMD25 | 地址[31：0] | R1 | 是 | 識別卡一旦 | 寫多個塊。 |
| CMD55（* 1） | 無（0） | R1 | 沒有 | APP_CMD | ACMD <n>命令的主要命令。 |
| CMD58 | 無（0） | R3 | 沒有 | READ_OCR | 閱讀OCR。 |
| * 1：ACMD <n>表示CMD55-CMD <n>的命令序列。 * 2：Rsv（0）[31]，HCS [30]，Rsv（0）[29：0] * 3：Rsv（0）[31:12]，電源電壓（1）[11：8]，檢查圖案（和0xAA）[7：0] |
|||||
SPI響應
有一些命令響應格式，R1，R2，R3和R7，取決於命令索引。對於大多數命令，返回一個響應字節R1。R1響應的位字段顯示在右圖中，值0x00表示成功。發生任何錯誤時，將設置響應中的相應狀態位。R3 / R7響應（R1 +尾隨32位數據）僅適用於CMD58和CMD8。
某些命令花費的時間比N CR長，並且它響應R1b。它是一個R1響應，後跟忙標誌（只要內部進程正在進行，DO就會被驅動爲低電平）。主機控制器應等待進程結束，直到DO變爲高電平（接收到0xFF）。
SPI模式的初始化過程
上電覆位後，MMC / SDC進入其本機工作模式。要將其設置爲SPI模式，必須按照此流程執行以下過程。
電源開啓或卡片斷裂
電源電壓達到2.2伏後，至少等待一毫秒。將SPI時鐘速率設置在100 kHz和400 kHz之間。將DI和CS設置爲高電平，並向SCLK施加74或更多時鐘脈衝。該卡將進入其本機操作模式並準備接受本機命令。
軟件重置
發送CS爲低電平的CMD0以復位卡。CMD0上的卡樣本CS信號被成功接收。如果CS信號爲低電平，則卡進入SPI模式，並以In空閒狀態位（0x01）響應R1。由於CMD0必須作爲本機命令發送，因此CRC字段必須具有有效值。當卡進入SPI模式時，CRC功能被禁用，並且卡不會檢查CRC，因此可以使用僅對CMD0和CMD8有效且參數爲零的硬編碼CRC值寫入命令傳輸例程。CRC功能也可以通過CMD59進行切換。
初始化
在空閒狀態下，卡僅接受CMD0，CMD1，ACMD41，CMD58和CMD59。任何其他命令都將被拒絕。此時，讀取OCR寄存器並檢查卡的工作電壓範圍。如果系統的電壓超出工作電壓範圍，則必須拒絕該卡。請注意，所有卡的供電電壓範圍至少爲2.7至3.6伏，因此如果電源電壓在此範圍內，主機控制器無需檢查OCR。當接收到CMD1時，卡啓動初始化過程。要檢測初始化過程的結束，主機控制器必須發送CMD1並檢查響應，直到初始化結束。當卡成功初始化時，R1響應中的空閒狀態位被清除（R1 resp將0x01更改爲0x00）。初始化過程可以採取數百毫秒（大卡往往更長），因此這是確定超時值的考慮因素。在空閒狀態位清零後，將能夠接受通用讀/寫命令。
因爲建議SDM使用ACMD41而不是CMD1，所以首先嚐試使用ACMD41，如果被拒絕則重試CMD1，這對於支持兩種類型的卡都是理想的選擇。
應儘可能快地將SCLK速率更改爲最大化讀/寫性能。CSD寄存器中的TRAN_SPEED字段表示卡的最大時鐘速率。在大多數情況下，MMC的最大時鐘頻率爲20MHz，SDC的最大時鐘頻率爲25MHz。請注意，在SPI模式下，時鐘速率可以固定爲20 / 25MHz，因爲沒有開漏條件限制時鐘速率。
初始讀/寫塊長度可以在2GB卡上設置爲1024，因此應使用CMD16將塊大小重新初始化爲512以與FAT文件系統一起使用。
初始化高容量卡
卡通過CMD0進入空閒狀態後，發送參數爲0x000001AA 的CMD8，並在初始化過程之前糾正CRC。如果CMD8因illigal命令錯誤（0x05）而被拒絕，則該卡爲SDC版本1或MMC版本3.如果接受，將返回R7響應（R1（0x01）+ 32位返回值）。返回值0x1AA中的低12位表示該卡是SDC版本2，它可以在2.7到3.6伏的電壓範圍內工作。如果不是這種情況，則應拒絕該卡。然後使用帶有HCS標誌的ACMD41啓動初始化（第30位）。初始化完成後，使用CMD58讀取OCR寄存器並檢查CCS標誌（第30位）。設置時，該卡是一種稱爲SDHC / SDXC的高容量卡。下面描述的數據讀/寫操作在字節尋址的塊尋址中被命令。塊尋址模式下數據塊的大小固定爲512字節。
數據傳輸
數據包和數據響應
在具有數據傳輸的事務中，在命令響應之後將發送/接收一個或多個數據塊。數據塊作爲由令牌，數據塊和CRC組成的數據包傳輸。數據包的格式顯示在右圖中，有三個數據令牌。Stop Tran令牌是終止多塊寫入事務，它用作沒有數據塊和CRC的單字節數據包。
單塊讀取
參數指定以字節或塊爲單位開始讀取的位置。必須正確縮放上層指定的LBA中的扇區地址。當接受CMD17時，啓動讀操作，並將讀數據塊發送到主機。在檢測到有效數據令牌之後，主機控制器接收以下數據字段和CRC。即使不需要，也必須接收CRC字節。如果在讀取操作期間發生任何錯誤，將返回錯誤令牌而不是數據包。
多塊讀取
CMD18將從指定位置讀取序列中的多個塊。讀取操作繼續以開放式結束。要終止交易，請將CMD12發送到卡。CMD12之後接收到的字節immediataly是一個填充字節，它應該在接收CMD12的響應之前被丟棄。對於MMC，如果在CMD18之前CMD23已經指定了傳輸塊的數量，則讀取事務作爲預定義的多塊傳輸啓動，並且讀取操作在最後的塊傳輸時終止。
單塊寫入
單塊寫入將塊寫入卡。在接受CMD24之後，主機控制器將數據包發送到卡。數據包格式與塊讀取操作相同。大多數卡不能改變寫入塊大小，並且固定爲512.除非啓用CRC功能，否則CRC字段可以具有任何固定值。該卡響應來自主機的數據包的數據響應immediataly。數據響應跟蹤忙標誌，主機控制器必須等待卡準備就緒。
原則上，SPI模式必須在事務期間保持CS信號有效。但是這個規則有一個例外。當卡忙時，主機控制器可以取消CS，以釋放總線上其他SPI設備的SPI總線。在內部過程中重新選擇時，卡將再次將DO驅動爲低電平。因此，在前面的繁忙檢查中，檢查每個命令和數據包之前卡是否繁忙，而不是等待後等待可以消除繁忙的等待時間。此外，內部寫過程在數據響應後的一個字節處啓動，這意味着需要8個SCLK時鐘來啓動內部寫操作。後時鐘期間CS信號的狀態可以是低或高，因此可以通過下面描述的總線釋放過程來完成。
多塊寫入
Multiple Block Read命令從指定位置寫入序列中的多個塊。在接受CMD25之後，主機控制器將一個或多個數據包發送到卡。除數據令牌外，數據包格式與塊讀取操作相同。寫操作繼續，直到使用Stop Tran令牌終止。busy標誌將在每個數據塊和Stop Tran令牌之後輸出。對於MMC，要寫入的塊數可以在CMD25之前由CMD23預定義，寫入事務在最後一個數據塊處終止。對於SDC，可以在CMD25之前由ACMD23指定在寫入事務開始時預擦除的扇區數。始終需要Stop Tran令牌來終止寫入事務。
閱讀CSD和CID
除數據塊長度外，它們與單塊讀取相同。CSD和CID作爲16字節數據塊發送到主機。有關CMD，CID和OCR的詳細信息，請參閱MMC / SDC規範。
對公共汽車浮動和熱插入的考慮
可以浮動的SPI信號應通過電阻器正確拉低或拉高。這是CMOS器件上的通用設計規則。因爲DI和DO通常很高，所以應該將它們拉高。根據SDC / MMC規範，建議將上拉寄存器的值從50k到100k歐姆。但是SDC / MMC規範中沒有提到時鐘信號，因爲它總是由主機控制器驅動。當有可能浮動時，它應該被拉到正常狀態，低。
MMC / SDC可以熱插入/移除。但是需要對主機電路進行一些考慮以避免不正確的操作。例如，如果系統電源（Vcc）直接連接到卡插槽，則由於卡的內置電容器的充電電流，Vcc將在卡插入的瞬間下降。右圖中的“A”是示波器視圖，它表明發生的電壓驟降約爲600 mV。這是觸發掉電探測器的足夠水平。右圖中的“B”表示插入電感器以阻止浪涌電流，電壓驟降降至200 mV。低ESR電容，例如OS-CON，可以像'C'中所示的那樣消除電壓驟降。然而，低ESR電容會引起LDO穩壓器的振盪。
對多從配置的考慮
在SPI總線中，每個從器件都選擇有獨立的CS信號，多個器件可以連接到SPI總線。通用SPI從設備通過CS信號異步驅動/釋放其DO信號以共享SPI總線。但是，MMC / SDC驅動/釋放DO信號與SCLK同步。這意味着與MMC / SDC以及連接到SPI總線的任何其他SPI從設備存在總線衝突的可能性。右圖顯示了MMC / SDC的驅動/釋放時序（DO信號被拉至1/2 vcc以查看總線狀態）。因此，爲了讓MMC / SDC釋放DO信號，主器件必須在CS信號置爲無效後發送一個字節。
最大SPI時鐘頻率
MMC / SDC可以在高達20/25 MHz的時鐘頻率下工作。當然，所有本機接口都保證以最大時鐘頻率工作。但是，由於時序問題，集成在微控制器中的通用SPI接口可能無法在高時鐘頻率下工作。右圖顯示了SPI接口的時序圖。在SPI模式0/3中，數據在SCLK的下降沿移出，並在下一個上升沿鎖存。td是SDC的SCLK到DO傳播延遲，最大值爲14ns。tsu是MISO輸入的最小設置時間。因此，最大允許SCLK頻率可通過以下公式計算：
F SCLK（max） = 0.5 /（td + tsu）
根據時序規範，我使用的一些微控制器限制在10 MHz左右的允許時鐘頻率。
文件系統
MMC / SDC上使用的文件系統是FAT。MMC / SDC規範將FAT類型定義爲：FAT12爲64MB或更小，FAT16爲128MB到2GB，FAT32爲4GB到32GB，exFAT爲64GB到2TB。使用FDISK分區的卡上只能存在FAT卷，不允許使用像軟盤那樣的補丁表。當然，除了MMC / SDC規範定義之外的不同文件系統和分區可以用作PC的通用存儲介質。然而，這些具有illigal格式的卡可能不被DSC，便攜式攝像機和電視接受。
寫性能的優化
大多數MMC / SDC採用NAND閃存作爲存儲器陣列。NAND閃存具有成本效益，並且可以快速讀/寫大數據，但另一方面，存在重寫一部分數據效率低的缺點。通常，閃存需要在寫入新數據之前擦除現有數據，並且最小擦除操作單元（稱爲擦除塊）大於寫入塊大小。典型的NAND閃存具有512 / 16K字節的塊大小用於寫入/擦除操作，並且最近的怪物卡採用大塊芯片（2K / 128K）。這意味着即使只寫扇區（512字節），也可以在卡中重寫擦除塊中的整個數據。
基準
我假設一個內存大小有限的嵌入式系統，我用一個便宜的8位MCU（ATmega64 @ 9.2MHz）檢查了一些MMC / SDC的讀/寫性能。出於內存大小的原因，write（）和read（）一次以2048字節執行。結果是：寫入：77kB /秒，讀取：128MB SDC爲 328kB /秒，寫入：28kB /秒，讀取：512MB SDC爲234kB /秒，寫入：182kB /秒，讀取：128MB爲 312kB /秒MMC。
通過稍後的一些基準測試，我猜MMC在寫入吞吐量方面往往比SDC更快。
因此，512MB SDC的寫入性能非常差，即128MB SDC的三分之一值。通常，大容量存儲設備的讀/寫性能與其記錄密度成比例地增加，但是有時在存儲卡上出現相反的趨勢。至於MMC，它似乎比SDC快幾倍，性能也不差。在那之後，我檢查了不同製造商提供的一些SDC，我發現PQI的SDC和日立的MMC一樣快，但松下和東芝的SDC表現非常糟糕。
擦除塊大小
爲了分析寫操作的細節，在發送寫數據之後的忙時（輪詢週期數）在低級磁盤寫功能中輸入到控制檯。一行中的多個數字表示由多個塊寫入事務發出的數據塊和Stop Tran令牌。
在分析結果中，128MB SDC和512MB SDC之間存在不同的內部過程。128MB SDC在多塊寫入事務結束時重寫擦除塊。512MB SDC似乎具有4K字節數據緩衝區，並且每4K字節邊界重寫擦除塊。因此，它不能直接比較，但是對於128MB SDC，重寫擦除塊的處理時間可以被讀取3800，而對於128MB SDC，可以讀取512MB SDC 30000比8倍長的處理時間。從這個結果來看，似乎128MB SDC使用小塊芯片，512MB SDC使用大塊或MLC芯片。當然，較大的塊大小會降低相應塊重寫的性能。在512MB SDC中，只有從內存頂部512K字節的區域相對較快。這可以從close（）中的寫入時間讀取。可能會對此區域應用任何特殊處理以快速進行FAT跟蹤。
提高寫性能
爲避免此瓶頸並提高寫入性能，每個寫入事務的塊數必須儘可能大。當然，應用程序和媒體之間的所有層都必須支持多扇區寫入功能。對於低級SDC / MMC寫入功能，它應該在寫入事務之前通知卡的寫入扇區的數量，以進行有效的內部寫入過程。這種方法稱爲“預定義多塊寫入”。MMC（CMD23）和SDC（ACMD23）之間的預定義命令不同。
最初對存儲卡進行修補和格式化以使分配單元與擦除塊邊界對齊。當使用不兼容MMC / SDC的設備重新格式化或重新格式化存儲卡（這只是一臺PC）時，優化將被破壞，寫入性能可能會丟失。我嘗試使用PC的通用格式功能在FAT32中重新格式化512MB SDC，在文件副本中測量的寫入性能降低到幾個。因此，應使用SD格式實用程序或符合SDC / MMC標準的設備重新格式化卡。
執照
MMC規範由MMCA（多媒體卡協會）提供，然後轉移到JEDEC。開發和銷售MMC產品不需要任何許可證。但是，MMC規範不向公衆開放，您需要加入JEDEC以獲取技術文檔。
SD規範是由SDA（SD卡協會）和SD-3C，LLC開發和提供的產品。銷售任何SD規格產品的每個組織或個人都必須獲得SDA的許可。例如，需要HALA（主機和輔助產品許可協議）來銷售任何表明支持SD卡的SD主機產品，無論使用哪種接口，SD模式或SPI模式。對於中間產品，例如嵌入式模塊，模塊銷售商或最終產品需要許可證。只有被許可人才能在產品，包裝和手冊上放置SD徽標。普通會員的入場費爲2,000美元，HALA的許可費爲每年1,000美元。
每個產品都聲明支持SD卡需要獲得許可。換句話說，該產品不支持SD卡不需要許可，即使它實際上支持SD卡。爲了避免許可證問題，一些吝嗇的設備製造商包括主要公司“支持MMC”，“支持MMC和兼容機”或“支持TF卡”。多麼廢話！
鏈接
- e.MMC | JEDEC
- SDA - SD卡協會
- SDHC物理層規範 由SDA
- 關於SPI
- 通用FAT文件系統模塊，帶有控制MMC / SDSC / SDHC的示例代碼