如何使用MMC / SDC以及SPi

如何使用MMC / SDC

该安全数字存储卡（以下SDC）是一个用于移动设备的事实上的标准存储卡。SDC被开发为与多媒体卡（下面的MMC）的上部兼容。在大多数情况下，SDC完井设备也可以使用MMC。还有缩小尺寸的版本，例如RS-MMC，miniSD和microSD，具有相同的功能。MMC / SDC中有一个微控制器。闪存控制（块大小转换，纠错和磨损级别 - 称为FTL）在存储卡内部完成。数据以512字节为单位作为数据块在存储卡和主机控制器之间传输，因此从上层层的视点可以看作是像通用硬盘驱动器那样的块设备。

本页介绍了使用MMC / SDC和小型嵌入式系统时所了解的基本知识和其他内容。我相信这些信息对于将要在电子手工项目中使用MMC / SDC的人来说必须是一个有用的入门说明。

1. 引脚
2. SPI模式
3. SPI模式的初始化过程
4. 数据传输
5. 对公共汽车浮动和热插入的考虑
6. 对多从配置的考虑
7. 最大SPI时钟频率
8. 文件系统
9. 写性能的优化
10. 执照
11. 链接

引脚

miniSD | 的microSD

右图显示了SDC / MMC的接触面。MMC有七个接触垫。SDC有九个接触垫，与MMC有两个额外的接触点。三个触点被分配用于供电，因此有效信号的数量是四个（MMC）和六个（SDC）。因此，主机和卡之间的数据传输是通过同步串行接口完成的。

工作电源电压范围由操作条件寄存器（OCR）指示，应在读卡时确认卡初始化时的工作电压范围。但是，电源电压也可以固定在3.0到3.3伏之间，而不需要任何确认，因为所有MMC / SDC的工作电压至少为2.7到3.6伏。请勿向卡提供5.0伏电压，否则卡会立即损坏。写入操作的电流消耗可达到大约10毫安，因此主机系统应考虑向该卡提供100毫安。

SPI模式

SPI模式的最小设置

本文档介绍了用于控制MMC / SDC的SPI模式。SPI模式是一种替代操作模式，定义为在没有本机主机接口的情况下使用MMC / SDC。与其本机操作模式相比，SPI模式的通信协议有点简单。MMC / SDC可通过通用SPI接口或某些GPIO端口连接到大多数微控制器。因此，SPI模式适用于低成本嵌入式应用，无需本机主机接口。有四种不同的SPI模式，0到3，取决于时钟相位和极性。SPI模式0是为SDC定义的。对于MMC，它不是SPI规范，锁存和移位操作都是在SCLK的上升沿定义的，但它似乎在SPI模式下工作在模式0。因此SPI模式为0（CPHA = 0，CPOL = 0）是控制MMC / SDC的正确设置，但模式3（CPHA = 1，CPOL = 1）在大多数情况下也能正常工作。DO上的上拉不能被省略，或者某些卡将无法初始化过程。

命令和响应

在SPI模式下，信号线上的数据方向是固定的，数据以字节为单位的串行通信传输。从主机到卡的命令帧是固定长度的数据包，如下所示。当卡驱动DO为高时，该卡已准备好接收命令帧。在向卡发送命令帧之后，从卡发回对命令（R1，R2，R3或R7）的响应。由于数据传输由主机控制器生成的串行时钟驱动，因此主机控制器必须继续读取数据，发送0xFF并获取接收字节，直到检测到有效响应。在读传输期间，DI信号必须保持高电平（发送0xFF并获取接收的数据）。响应在命令响应时间内发回（N CR），SDC为0到8个字节，MMC为1到8个字节。在发送命令帧之前必须将CS信号从高电平变为低电平，并在事务期间将其保持为低电平（命令，响应和数据传输，如果存在）。在SPI模式下，CRC功能是可选的。卡不会检查命令帧中的CRC字段。

SPI命令集

每个命令都以缩写形式表示，如GO_IDLE_STATE或CMD <n>，<n>是命令索引的编号，值可以是0到63.下表仅描述了通常用于通用读/写和卡的命令初始化。有关所有命令的详细信息，请参阅MMCA和SDA的规格表。

SPI响应

有一些命令响应格式，R1，R2，R3和R7，取决于命令索引。对于大多数命令，返回一个响应字节R1。R1响应的位字段显示在右图中，值0x00表示成功。发生任何错误时，将设置响应中的相应状态位。R3 / R7响应（R1 +尾随32位数据）仅适用于CMD58和CMD8。

某些命令花费的时间比N CR长，并且它响应R1b。它是一个R1响应，后跟忙标志（只要内部进程正在进行，DO就会被驱动为低电平）。主机控制器应等待进程结束，直到DO变为高电平（接收到0xFF）。

SPI模式的初始化过程

上电复位后，MMC / SDC进入其本机工作模式。要将其设置为SPI模式，必须按照此流程执行以下过程。

电源开启或卡片断裂

电源电压达到2.2伏后，至少等待一毫秒。将SPI时钟速率设置在100 kHz和400 kHz之间。将DI和CS设置为高电平，并向SCLK施加74或更多时钟脉冲。该卡将进入其本机操作模式并准备接受本机命令。

软件重置

发送CS为低电平的CMD0以复位卡。CMD0上的卡样本CS信号被成功接收。如果CS信号为低电平，则卡进入SPI模式，并以In空闲状态位（0x01）响应R1。由于CMD0必须作为本机命令发送，因此CRC字段必须具有有效值。当卡进入SPI模式时，CRC功能被禁用，并且卡不会检查CRC，因此可以使用仅对CMD0和CMD8有效且参数为零的硬编码CRC值写入命令传输例程。CRC功能也可以通过CMD59进行切换。

初始化

在空闲状态下，卡仅接受CMD0，CMD1，ACMD41，CMD58和CMD59。任何其他命令都将被拒绝。此时，读取OCR寄存器并检查卡的工作电压范围。如果系统的电压超出工作电压范围，则必须拒绝该卡。请注意，所有卡的供电电压范围至少为2.7至3.6伏，因此如果电源电压在此范围内，主机控制器无需检查OCR。当接收到CMD1时，卡启动初始化过程。要检测初始化过程的结束，主机控制器必须发送CMD1并检查响应，直到初始化结束。当卡成功初始化时，R1响应中的空闲状态位被清除（R1 resp将0x01更改为0x00）。初始化过程可以采取数百毫秒（大卡往往更长），因此这是确定超时值的考虑因素。在空闲状态位清零后，将能够接受通用读/写命令。

因为建议SDM使用ACMD41而不是CMD1，所以首先尝试使用ACMD41，如果被拒绝则重试CMD1，这对于支持两种类型的卡都是理想的选择。

应尽可能快地将SCLK速率更改为最大化读/写性能。CSD寄存器中的TRAN_SPEED字段表示卡的最大时钟速率。在大多数情况下，MMC的最大时钟频率为20MHz，SDC的最大时钟频率为25MHz。请注意，在SPI模式下，时钟速率可以固定为20 / 25MHz，因为没有开漏条件限制时钟速率。

初始读/写块长度可以在2GB卡上设置为1024，因此应使用CMD16将块大小重新初始化为512以与FAT文件系统一起使用。

初始化高容量卡

卡通过CMD0进入空闲状态后，发送参数为0x000001AA 的CMD8，并在初始化过程之前纠正CRC。如果CMD8因illigal命令错误（0x05）而被拒绝，则该卡为SDC版本1或MMC版本3.如果接受，将返回R7响应（R1（0x01）+ 32位返回值）。返回值0x1AA中的低12位表示该卡是SDC版本2，它可以在2.7到3.6伏的电压范围内工作。如果不是这种情况，则应拒绝该卡。然后使用带有HCS标志的ACMD41启动初始化（第30位）。初始化完成后，使用CMD58读取OCR寄存器并检查CCS标志（第30位）。设置时，该卡是一种称为SDHC / SDXC的高容量卡。下面描述的数据读/写操作在字节寻址的块寻址中被命令。块寻址模式下数据块的大小固定为512字节。

数据传输

数据包和数据响应

在具有数据传输的事务中，在命令响应之后将发送/接收一个或多个数据块。数据块作为由令牌，数据块和CRC组成的数据包传输。数据包的格式显示在右图中，有三个数据令牌。Stop Tran令牌是终止多块写入事务，它用作没有数据块和CRC的单字节数据包。

单块读取

参数指定以字节或块为单位开始读取的位置。必须正确缩放上层指定的LBA中的扇区地址。当接受CMD17时，启动读操作，并将读数据块发送到主机。在检测到有效数据令牌之后，主机控制器接收以下数据字段和CRC。即使不需要，也必须接收CRC字节。如果在读取操作期间发生任何错误，将返回错误令牌而不是数据包。

多块读取

CMD18将从指定位置读取序列中的多个块。读取操作继续以开放式结束。要终止交易，请将CMD12发送到卡。CMD12之后接收到的字节immediataly是一个填充字节，它应该在接收CMD12的响应之前被丢弃。对于MMC，如果在CMD18之前CMD23已经指定了传输块的数量，则读取事务作为预定义的多块传输启动，并且读取操作在最后的块传输时终止。

单块写入

单块写入将块写入卡。在接受CMD24之后，主机控制器将数据包发送到卡。数据包格式与块读取操作相同。大多数卡不能改变写入块大小，并且固定为512.除非启用CRC功能，否则CRC字段可以具有任何固定值。该卡响应来自主机的数据包的数据响应immediataly。数据响应跟踪忙标志，主机控制器必须等待卡准备就绪。

原则上，SPI模式必须在事务期间保持CS信号有效。但是这个规则有一个例外。当卡忙时，主机控制器可以取消CS，以释放总线上其他SPI设备的SPI总线。在内部过程中重新选择时，卡将再次将DO驱动为低电平。因此，在前面的繁忙检查中，检查每个命令和数据包之前卡是否繁忙，而不是等待后等待可以消除繁忙的等待时间。此外，内部写过程在数据响应后的一个字节处启动，这意味着需要8个SCLK时钟来启动内部写操作。后时钟期间CS信号的状态可以是低或高，因此可以通过下面描述的总线释放过程来完成。

多块写入

Multiple Block Read命令从指定位置写入序列中的多个块。在接受CMD25之后，主机控制器将一个或多个数据包发送到卡。除数据令牌外，数据包格式与块读取操作相同。写操作继续，直到使用Stop Tran令牌终止。busy标志将在每个数据块和Stop Tran令牌之后输出。对于MMC，要写入的块数可以在CMD25之前由CMD23预定义，写入事务在最后一个数据块处终止。对于SDC，可以在CMD25之前由ACMD23指定在写入事务开始时预擦除的扇区数。始终需要Stop Tran令牌来终止写入事务。

阅读CSD和CID

除数据块长度外，它们与单块读取相同。CSD和CID作为16字节数据块发送到主机。有关CMD，CID和OCR的详细信息，请参阅MMC / SDC规范。

对公共汽车浮动和热插入的考虑

可以浮动的SPI信号应通过电阻器正确拉低或拉高。这是CMOS器件上的通用设计规则。因为DI和DO通常很高，所以应该将它们拉高。根据SDC / MMC规范，建议将上拉寄存器的值从50k到100k欧姆。但是SDC / MMC规范中没有提到时钟信号，因为它总是由主机控制器驱动。当有可能浮动时，它应该被拉到正常状态，低。

MMC / SDC可以热插入/移除。但是需要对主机电路进行一些考虑以避免不正确的操作。例如，如果系统电源（Vcc）直接连接到卡插槽，则由于卡的内置电容器的充电电流，Vcc将在卡插入的瞬间下降。右图中的“A”是示波器视图，它表明发生的电压骤降约为600 mV。这是触发掉电探测器的足够水平。右图中的“B”表示插入电感器以阻止浪涌电流，电压骤降降至200 mV。低ESR电容，例如OS-CON，可以像'C'中所示的那样消除电压骤降。然而，低ESR电容会引起LDO稳压器的振荡。

对多从配置的考虑

在SPI总线中，每个从器件都选择有独立的CS信号，多个器件可以连接到SPI总线。通用SPI从设备通过CS信号异步驱动/释放其DO信号以共享SPI总线。但是，MMC / SDC驱动/释放DO信号与SCLK同步。这意味着与MMC / SDC以及连接到SPI总线的任何其他SPI从设备存在总线冲突的可能性。右图显示了MMC / SDC的驱动/释放时序（DO信号被拉至1/2 vcc以查看总线状态）。因此，为了让MMC / SDC释放DO信号，主器件必须在CS信号置为无效后发送一个字节。

最大SPI时钟频率

MMC / SDC可以在高达20/25 MHz的时钟频率下工作。当然，所有本机接口都保证以最大时钟频率工作。但是，由于时序问题，集成在微控制器中的通用SPI接口可能无法在高时钟频率下工作。右图显示了SPI接口的时序图。在SPI模式0/3中，数据在SCLK的下降沿移出，并在下一个上升沿锁存。td是SDC的SCLK到DO传播延迟，最大值为14ns。tsu是MISO输入的最小设置时间。因此，最大允许SCLK频率可通过以下公式计算：

F SCLK（max） = 0.5 /（td + tsu）

根据时序规范，我使用的一些微控制器限制在10 MHz左右的允许时钟频率。

文件系统

MMC / SDC上使用的文件系统是FAT。MMC / SDC规范将FAT类型定义为：FAT12为64MB或更小，FAT16为128MB到2GB，FAT32为4GB到32GB，exFAT为64GB到2TB。使用FDISK分区的卡上只能存在FAT卷，不允许使用像软盘那样的补丁表。当然，除了MMC / SDC规范定义之外的不同文件系统和分区可以用作PC的通用存储介质。然而，这些具有illigal格式的卡可能不被DSC，便携式摄像机和电视接受。

写性能的优化

大多数MMC / SDC采用NAND闪存作为存储器阵列。NAND闪存具有成本效益，并且可以快速读/写大数据，但另一方面，存在重写一部分数据效率低的缺点。通常，闪存需要在写入新数据之前擦除现有数据，并且最小擦除操作单元（称为擦除块）大于写入块大小。典型的NAND闪存具有512 / 16K字节的块大小用于写入/擦除操作，并且最近的怪物卡采用大块芯片（2K / 128K）。这意味着即使只写扇区（512字节），也可以在卡中重写擦除块中的整个数据。

基准

我假设一个内存大小有限的嵌入式系统，我用一个便宜的8位MCU（ATmega64 @ 9.2MHz）检查了一些MMC / SDC的读/写性能。出于内存大小的原因，write（）和read（）一次以2048字节执行。结果是：写入：77kB /秒，读取：128MB SDC为 328kB /秒，写入：28kB /秒，读取：512MB SDC为234kB /秒，写入：182kB /秒，读取：128MB为 312kB /秒MMC。

通过稍后的一些基准测试，我猜MMC在写入吞吐量方面往往比SDC更快。

因此，512MB SDC的写入性能非常差，即128MB SDC的三分之一值。通常，大容量存储设备的读/写性能与其记录密度成比例地增加，但是有时在存储卡上出现相反的趋势。至于MMC，它似乎比SDC快几倍，性能也不差。在那之后，我检查了不同制造商提供的一些SDC，我发现PQI的SDC和日立的MMC一样快，但松下和东芝的SDC表现非常糟糕。

擦除块大小

为了分析写操作的细节，在发送写数据之后的忙时（轮询周期数）在低级磁盘写功能中输入到控制台。一行中的多个数字表示由多个块写入事务发出的数据块和Stop Tran令牌。

在分析结果中，128MB SDC和512MB SDC之间存在不同的内部过程。128MB SDC在多块写入事务结束时重写擦除块。512MB SDC似乎具有4K字节数据缓冲区，并且每4K字节边界重写擦除块。因此，它不能直接比较，但是对于128MB SDC，重写擦除块的处理时间可以被读取3800，而对于128MB SDC，可以读取512MB SDC 30000比8倍长的处理时间。从这个结果来看，似乎128MB SDC使用小块芯片，512MB SDC使用大块或MLC芯片。当然，较大的块大小会降低相应块重写的性能。在512MB SDC中，只有从内存顶部512K字节的区域相对较快。这可以从close（）中的写入时间读取。可能会对此区域应用任何特殊处理以快速进行FAT跟踪。

提高写性能

为避免此瓶颈并提高写入性能，每个写入事务的块数必须尽可能大。当然，应用程序和媒体之间的所有层都必须支持多扇区写入功能。对于低级SDC / MMC写入功能，它应该在写入事务之前通知卡的写入扇区的数量，以进行有效的内部写入过程。这种方法称为“预定义多块写入”。MMC（CMD23）和SDC（ACMD23）之间的预定义命令不同。

最初对存储卡进行修补和格式化以使分配单元与擦除块边界对齐。当使用不兼容MMC / SDC的设备重新格式化或重新格式化存储卡（这只是一台PC）时，优化将被破坏，写入性能可能会丢失。我尝试使用PC的通用格式功能在FAT32中重新格式化512MB SDC，在文件副本中测量的写入性能降低到几个。因此，应使用SD格式实用程序或符合SDC / MMC标准的设备重新格式化卡。

执照

MMC规范由MMCA（多媒体卡协会）提供，然后转移到JEDEC。开发和销售MMC产品不需要任何许可证。但是，MMC规范不向公众开放，您需要加入JEDEC以获取技术文档。

SD规范是由SDA（SD卡协会）和SD-3C，LLC开发和提供的产品。销售任何SD规格产品的每个组织或个人都必须获得SDA的许可。例如，需要HALA（主机和辅助产品许可协议）来销售任何表明支持SD卡的SD主机产品，无论使用哪种接口，SD模式或SPI模式。对于中间产品，例如嵌入式模块，模块销售商或最终产品需要许可证。只有被许可人才能在产品，包装和手册上放置SD徽标。普通会员的入场费为2,000美元，HALA的许可费为每年1,000美元。

每个产品都声明支持SD卡需要获得许可。换句话说，该产品不支持SD卡不需要许可，即使它实际上支持SD卡。为了避免许可证问题，一些吝啬的设备制造商包括主要公司“支持MMC”，“支持MMC和兼容机”或“支持TF卡”。多么废话！

链接

• e.MMC | JEDEC
• SDA - SD卡协会
• SDHC物理层规范 由SDA
• 关于SPI
• 通用FAT文件系统模块，带有控制MMC / SDSC / SDHC的示例代码