芯片的SD/MMC控制器以及SD卡介绍

Posted 2022-04-06 正在起飞的蜗牛

1、MMC、SD卡、eMMC介绍

1.1、三者关联

(1)最早出现的是MMC卡，卡片式结构，按照MMC协议设计。（相较于NandFlash芯片来说，MMC卡有2个优势：第一是卡片化，便于拆装；第二是统一了协议接口，兼容性好。）
(2)后来出现SD卡，兼容MMC协议。SD卡较MMC有一些改进，譬如写保护、速率、容量等。
(3)SD卡遵守SD协议，有多个版本。多个版本之间向前兼容，SD卡除了支持SD协议还支持SPI协议。
(4)iNand/eMMC在SD卡的基础上发展起来，较SD卡的区别就是将SD卡芯片化了（解决卡的接触不良问题，便于设备迷你化）。
(5)iNand和eMMC的关联：eMMC是协议，iNand是Sandisk公司符合eMMC协议的一种芯片系列名称。
总结：MMC卡、SD卡、eMMC卡是一脉相承的，并且都是向前兼容，所以在Soc中都是用SD/MMC控制器去操作。SD/MMC控制器在初始化时会通过发命令去判断当前接的是哪种卡、哪个版本的协议，然后再进行相应的操作。SD卡和eMMC卡在时序操作上几乎一样，在物理接线上有些差别，后面就以SD卡来进行讲解。

1.2、三者相同点

(1)组织框架：都是存储介质+控制电路，向外提供统一的接口；
(2)存储介质都是NandFlash；

1.3、三者区别

(1)接口协议不同：MMC卡是MMC协议，SD卡支持SD协议和SPI协议，eMMC卡/iNand支持eMMC协议，接口协议不同导致物理接线也不一样；
(2)控制电路的功能不同，接口协议不同所以控制电路也不一样；

1.4、和NandFlash的区别

(1)iNand和SD卡在储存介质上都是使用的MLC的NandFlash，价格便宜；
(2)iNand和SD卡是在NandFlash的基础上，完善了控制电路，控制电路可以进行ECC校验、坏块管理、提供统一的接口。NandFlash芯片在通信协议上不同一，导致兼容性很差；
(3)iNand接口电路还提供了cache机制，所以inand的操作速度更快。

1.5、SD卡和iNand芯片的引脚差异

从上面的电路原理图可以看出，SD卡和iNand的引脚几乎一样，差别就是iNand芯片的数据线是8根，而SD卡的数据线是4根，所以iNand支持8bit并行传输，SD卡最多支持4bit并行传输。

2、SD卡的结构框图

(1)最上面是SD卡的引脚，可以看到有4根data线，1根cmd线，1根CLK线，其余是电源线和接地线；
(2)中间部分是控制电路，相当于一个状态机，负责与主机通信和管理内部的存储颗粒，主要包含接口控制器和寄存器；
(3)最下面的存储器内核就是NandFlash存储颗粒，负责存储数据。使用的NandFlash存储颗粒是MLC的。

3、SD卡的引脚

(1)SD卡有4根数据线，支持1bit和4bit模式，是并行接口；
(2)主机的SD/MMC控制器是通过CMD线给SD卡发命令；
(3)主机和SD卡是同步通信，主机通过CLK线把时钟信号传给SD卡；
(4)还有两根接地线和一根电源线；

4、SD/MMC控制器

学习SD/MMC控制器主要就是熟悉相关寄存器的操作，并且SD/MMC控制器的寄存器很多，功能也很复杂，没有对SD卡、eMMC卡了解很深入很多寄存器的说明是看不明白的。推荐的学习方法：根据操作SD卡的代码，再结合SD卡数据手册、SD/MMC控制器的寄存器说明去学习。

5、SD卡的操作模式

5.1、命令码CMD和ACMD

(1)在SD卡协议中，命令码是已经定义好的，在代码里用宏定义去表示；
(2)命令码分为CMDn(n代表1、2、3······)和AMDn(n代表1、2、3······)。CMDn是单命令命令，就是单独发一个CMDn即可表示一个意思。ACMDn是一种扩展，就是发2个CMDn加起来表示一个意思。可以认为ACMDx = CMDy+CMDz,其中y一般是55；

5.2、命令响应模式

(1)SD协议里已经定义好了命令码，主机去操作SD卡就是给SD卡发送相应的命令码；
(2)主机和SD卡通信是一个周期一个周期进行的，每个周期都是主机给SD卡发命令，SD卡解析并执行命令，有的命令需要响应和数据，有的不需要；
(3)命令都是主机给SD卡发送的，在通过CMD线发送命令时需要先判断CMD线是否忙，要等上一条命令执行完毕再发送新的命令；

5.3、SD卡的寄存器

SD卡的不同寄存器位数是不一样的，具体含义要查看数据手册，这里不做详细的说明。

6、SD卡的初始化流程图

(1)上电后SD/MMC控制器先发送CMD0和CMD8命令，然后根据SD卡返回的数据最终判断当前连接的SD卡是采用的哪个版本的SD协议。

7、SD卡的状态转换

(1)这副图是承接上面的初始化流程图，SD/MMC控制器在得知SD卡的协议版本后会再发送CMD2和CMD3命令；
(2)这里描述的状态转换实际就是SD卡控制器的工作逻辑，SD卡控制器就相当于一个状态机，根据主机发送的命令切换到不同的状态执行不同的任务。
(3)刚开始SD卡是待命状态(Stand by State)，然后就根据主机发送的命令在不同的状态之间切换。

8、SD卡的SD模式和SPI模式

(1)SD卡支持SD卡协议和SPI协议，单片机操作SD卡通常用SPI协议，复杂Soc(带SD/MMC控制器)一般用SD卡协议去操作SD卡；
(2)SD卡协议是6线制(4根数据线+CMD线+CLK线)，SPI协议采用4线制(2根数据线+CMD线+CLK线);
(3)SD卡的SD模式比SPI模式传输速率更快；