關(guān)于可移動計(jì)算機(jī)存儲器SD卡介紹

　　多年來，可移動計(jì)算機(jī)存儲器已經(jīng)通過許多不同的介質(zhì)得到了發(fā)展。最初的可移動磁盤是磁軟盤，然后是硬磁盤。

　　在20世紀(jì)90年代，可移動存儲過渡到光盤介質(zhì)（后來被DVD超越）。

　　在2000年代，由于閃存技術(shù)的進(jìn)步，基于閃存的可移動存儲開始流行。最初，這主要是在USB拇指驅(qū)動器的形式。許多競爭的存儲卡格式也出現(xiàn)了；包括索尼記憶棒、CompactFlash （CF）、xD-Picture卡、東芝SmartMedia和多媒體卡（MMC）；然而，安全數(shù)字（SD）卡最終獲得了最大的市場吸引力。

　　SD卡類似于MMC卡（實(shí)際上是從MMC卡衍生而來的），但是SD卡略厚（2.1毫米對MMC的1.4毫米），并被開發(fā)為添加DRM（數(shù)字版權(quán)管理）功能以打擊音樂盜版。一般來說，SD卡向后兼容MMC卡，這意味著MMC卡可以在支持SD卡的地方使用（但不一定反過來）。MMC和SD繼續(xù)共存，SD更受可移動存儲器的歡迎，MMC（以eMMC的形式）更受嵌入式系統(tǒng)焊接存儲的歡迎。

　　波形因數(shù)

　　SD卡有3種外形規(guī)格。最初是全尺寸SD，隨后是miniSD和microSD。

　　通信接口

　　SD卡的引腳排列如下：

　　SD卡支持兩種通信協(xié)議：SD總線和SPI總線（一些帶有額外引腳的新型卡也支持UHS-II總線和PCIe總線協(xié)議，但SD總線和SPI總線是最常見的）。

　　幾乎所有現(xiàn)代微控制器都包括SPI外設(shè)，因此SPI是嵌入式開發(fā)人員與SD卡通信的常用方式。

　　一些微控制器還包括用于與SD卡通信的SDIO外設(shè)。由于SD總線協(xié)議一次最多可傳輸4位數(shù)據(jù)（通過引腳DAT0-DAT3），并且具有獨(dú)立的命令（CMD）線路，因此使用SD總線傳輸數(shù)據(jù)的速度比使用SPI總線（一次只能傳輸1位數(shù)據(jù)）快4-5倍。SD總線以1位模式啟動，但可以通過發(fā)出適當(dāng)?shù)拿钤O(shè)置為4位模式。

　　默認(rèn)情況下，卡以SD總線模式（1位）啟動，但可以通過發(fā)送特定命令（CMD0）同時(shí)保持CS線為低電平來設(shè)置為SPI模式。由于SD總線CMD引腳與SPI總線MOSI引腳相同，并且SD總線CLK引腳與SPI總線SCK引腳相同，因此MCU SPI控制器可以用來發(fā)出命令。

　　本文不會試圖涵蓋完整的SD卡命令集或通信協(xié)議。該規(guī)范可從https://www.SDcard.org/downloads/pls/的SD協(xié)會獲得（或者有時(shí)從sd卡制造商處檢查規(guī)范文檔可能更容易），但是大多數(shù)開發(fā)者將簡單地使用現(xiàn)有的代碼庫，而不是從頭開始編寫他們自己的代碼庫。

　　數(shù)據(jù)存儲

　　SD卡的讀寫是以塊為單位進(jìn)行的，通常大小為512字節(jié)。文件系統(tǒng)存儲方案，如FAT16或FAT32，通常在卡上實(shí)現(xiàn)（作為原始閃存之上的概念層）。文件系統(tǒng)是存儲數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化方法（在文件和目錄中），由主機(jī)（微控制器或計(jì)算機(jī)）上的軟件處理，而不是由SD卡本身處理。同樣，大多數(shù)開發(fā)人員會選擇簡單地使用現(xiàn)有的文件系統(tǒng)庫，而不是從頭開始編寫自己的文件系統(tǒng)庫。

　　FAT16文件系統(tǒng)更簡單，在2GB或更小的SD卡開始變得稀缺之前一直很流行，因?yàn)?GB是FAT16可以處理的最大大小。FAT32可以處理高達(dá)16TB的文件系統(tǒng)。隨著2GB或更小的SD卡變得越來越難找到（由于不再生產(chǎn)），許多開發(fā)人員被迫將他們的項(xiàng)目從使用FAT16文件系統(tǒng)遷移到使用FAT32。

　　可靠性

　　SD卡在內(nèi)部使用閃存（有關(guān)更多信息，請參見我們關(guān)于閃存的專門文章），因此數(shù)據(jù)是以塊的形式擦除的，通常大小為幾千字節(jié)或更大。因此，為了寫入一些新數(shù)據(jù)，可能需要擦除和重寫整個(gè)存儲塊的大部分。因?yàn)榇瞬僮餍枰稽c(diǎn)時(shí)間，所以如果在此過程中斷電，數(shù)據(jù)可能會丟失，文件系統(tǒng)可能會損壞。此外，F(xiàn)AT庫可以在MCU（微控制器單元）或MPU（微處理器單元）RAM中緩存數(shù)據(jù)，以便減少閃存中的擦除-寫入操作的數(shù)量（減少存儲器的磨損，因?yàn)樗哂杏邢迶?shù)量的可以執(zhí)行的擦除-寫入周期），并且同樣，如果斷電或系統(tǒng)崩潰，那么數(shù)據(jù)將會丟失。

　　由于閃存可執(zhí)行的擦除-寫入周期數(shù)量有限，一些SD卡在其內(nèi)部控制器中包含損耗均衡功能，可自動將擦除-寫入操作平均分配到閃存的整個(gè)區(qū)域（用戶不可見，因?yàn)樗鼤詣訉⑽锢韮?nèi)存地址轉(zhuǎn)換為虛擬內(nèi)存地址）。

　　工業(yè)SD卡可用，提供更高的可靠性和耐用性。這些卡配有實(shí)現(xiàn)損耗均衡和ECC（糾錯(cuò)碼）等功能的控制器，高端卡還使用SLC（單層單元）或pSLC（偽單層單元）閃存技術(shù)，而不是MLC（多層單元）技術(shù)。MLC是一種在每個(gè)存儲單元中存儲多個(gè)位的技術(shù)——降低了成本，但也降低了可靠性和耐用性。對于遠(yuǎn)程和安全關(guān)鍵/高可靠性應(yīng)用，建議使用工業(yè)SD卡。

　　電壓水平

　　默認(rèn)情況下，SD卡的工作電壓為3.3V，因此需要電壓轉(zhuǎn)換器來連接5V微控制器。SDHC和SDXC卡可以根據(jù)命令切換到1.8V操作，這對于高速信號傳輸更好。

　　模擬支持

　　Proteus包括帶SPI接口的MMC/SD卡仿真模型，可以連接到Proteus也支持仿真的各種微控制器。此外，微控制器和MMC/SD卡之間的SPI通信可以使用SPI調(diào)試器虛擬儀器進(jìn)行調(diào)試。

　　審核編輯：黃飛