【Maker電子學】記憶體的原理與應用—PART19

Posted By Liang Bird on 1 月 17, 2025 in Flash 記憶體, Maker電子學, 教學文, 知識庫 | 0 comments

上一回【Maker電子學】記憶體的原理與應用—PART18，我們介紹了 SD 卡的容量分級以及速度分級標準，並說明了達到不同傳輸速度所使用的技術，包含早期的單端邏輯訊號到較新的差動訊號等技術。這一回我們要開始從軟體的觀點，來看看如何存取 SD 卡或 eMMC。

卡片的電源

在進入軟體的存取協定之前，我們還是要先來看幾個基本的硬體參數，其中最重要的就是電源。

早期的 SD 卡全部運作在 3.3 V（嚴格來說是 2.7 V 到 3.6 V）的電源及介面電壓，而在 SD 3.0 標準出來後，為了降低 EMI 及耗電，較新的 UHS-I 模式都使用 1.8 V（嚴格來說是 1.70 V 到 1.95 V）的介面電壓。由於較新的卡片支援不同的電壓，為了保證系統的相容性，讓舊的裝置可以使用新的卡片、新的裝置也可以使用舊的卡片，SD 卡在初始化的過程中有一個蠻複雜的辨認過程。

首先，為了保證系統的相容性，所有的 SD 卡在一開始工作時，都使用 3.3 V 供電，並使用 3.3 V 完成初始化以及一些卡片辨認的過程，包括卡片支援哪些速度、模式、電壓等。如果卡片支援較新的 1.8 V 低電壓模式，系統可以送出一個「切換電壓」的指令 CMD11，並與卡片同步將電壓從 3.3 V 切換到 1.8 V 的模式，一旦卡片切到 1.8 V 的工作模式，就只能停留在 1.8 V 的模式，直到斷電 reset 重來。

這裡有件事要特別注意的是，當卡片進入 1.8 V 模式時，只有卡片的 I/O 介面電壓（signaling voltage）變成 1.8 V，供應給卡片的電源始終維持 3.3 V 不會改變。

卡片的工作模式

我們之前說過，SD卡從MMC演變過來時，保留了最早最古老的SPI模式，而SD協會也很佛心的在規格中要求所有的卡片都要向前相容到上古時代，直到SDUC出現後，SD協會才在規格中放寬，讓SDUC不用支援SPI模式。

為了SD標準的尊嚴，所有的SD卡在開機時都是處在SD bus模式，如果要將卡片設定成SPI模式，需要將 CS 接腳拉 low，同時送一次CMD0去 reset 卡片，這時卡片就會進入SPI模式。

在 SD 模式下，傳資料的 DAT0-3 都是雙向的，但 SPI 介面的每一隻腳都是固定方向的，我們有辦法用 SPI 介面傳送 CMD0 給 SD 卡的任務嗎？來看看 SD 模式與 SPI 模式的腳位對應就知道了：

（圖片來源：Bird 提供）

SPI 模式的 MOSI 訊號剛好對應到送指令給 SD 卡的 CMD 接腳，因此我們可以用 SPI 的 MOSI 發送 CMD0 指令給 SD 卡，而 SD 卡收到指令後，會用 DAT0 訊號回應對指令的反應，這個訊號剛好接到 SPI 的 MISO，因此我們可以透過 MISO 讀取 SD 卡對 CMD0 指令的回答，來知道指令有沒有發送成功。當然，SD 模式的 clock 接腳也是 SPI 模式的 clock 接腳，所以在兩個模式下都使用這個 clock 訊號來取樣指令或資料訊號。

送指令

SPI 模式的資料傳輸都是以 byte 為單位，而 SD 模式下的指令，又叫做 token，則是 48-bit，因此我們可以用 6 個 SPI 的 byte 傳輸來完成一次 CMD0 的發送。

SD 模式下的指令格式是這樣：