作者：Bird
上一回【Maker電子學】Flash 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：
（圖片來源：Bird 提供）
CMD0 的指令代碼就是 0b000000，而且它沒有參數，因此接下來 32 個 bits 填什麼都無所謂。但 SD 模式下預設要做 CRC 檢查，因此送完 32 個 bits 無關緊要的指令參數之後，需要送出一個正確的 CRC，卡片才會接收指令。SD 卡的 CRC 是用 x^7 + x^3 +1 這個多項式來計算的，如果指令參數全部送 0 的話，算出來的 7-bit CRC 就是 0x43。
整理一下上面的資料，我們要用 SPI 送出 CMD0 的資料就變成：
（圖片來源：Bird 提供）
也就是說，只要用 SPI 依序送出 0x40, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x87 六個 bytes，同時讓 CS 腳也就是 DAT3 維持在 low，SD 卡就會被 reset 後進入 SPI 模式。
指令回應 #
SD 卡的的每一個指令都會有對應的回應碼，也叫做 response token，用以告知系統指令有沒有送成功，以及其它關於指令執行的狀態；根據指令的不同，回應從 8 個 bits 到 40 個 bits 不等。
送完指令 token 之後，系統應該要將 CMD 腳，也就是 MOSI 腳拉回 high，然後持續送出 clock 訊號，讓 SD 卡裡面的邏輯繼續運作；卡片需要一點時間去處理指令，這段時間叫做 NCR，也就是卡片回應指令所需要的時間，從 0 到 8 個 bytes 的 clock 時間不等。
CMD0 的回應格式叫做 R1，只有 8 個 bits，或是一個 byte。當 SD 卡經過足夠的 NCR，處理完 CMD0 後，它就會在 DAT0，也就是 MISO 接腳上送出回應。
R1 回應的 8 個 bits 是這些意思：
（圖片來源：Bird 提供）
這個 R1 回應包含相當多的資訊，很多指令都會用到，但原則上它報的都是錯誤，也就是說 R1 的回應如果有非 0 的 bit，通常代表出事了，因此我們會希望 CMD0 送過去後，經過 NCR 時間後，我們在 DAT0 上收到的回應都是 0。
好了，我們已經成功利用 SPI 介面將 SD 卡 reset 成 SPI 模式，接下來就可以繼續利用 SPI 送指令來操作卡片了。
小結 #
這一回我們說明了 SD 卡不同的工作電壓模式以及介面模式，並介紹了如何利用 SPI 介面將剛上電、仍處於 SD 介面模式的卡片 reset 成 SPI 模式，我們已經成功送出第一個指令 CMD0 了。
下一回，我們要繼續看看，如何利用 SPI 介面來送出其它指令，操作 SD 卡。
（責任編輯：賴佩萱）
