文章目录

SD nand 与 SD卡的SPI模式驱动

1. 概述

2. SPI接口模式与SD接口模式区别

2.1 接口模式区别

2.2 硬件引脚

2.3 注意事项

3. SD接口协议

3.1 命令

3.1.1 命令格式

3.1.2 命令类型

3.2 响应

3.2.1 响应格式

4. SD nand（SD卡）结构描述

5. SD nand SPI通讯

5.1 SD nand SPI 通讯概述

5.2 SPI 时序

5.3 上电初始化及模式切换

5.3.1 初始化及模式切换流程说明

5.3.2 代码实现

5.4 识别过程

5.4.1 识别流程说明

5.4.2 代码实现

5.3 数据传输

5.3.1 数据写入

5.3.2 数据读取

5.3.3 代码实现

6. 总结

1. 概述

首先简单介绍下SD卡和SD nand：

• SD卡，也称之为内存卡，在早些年间的手机上出现过，主要用来存储数据；

• SD nand，贴片式SD卡，使用起来和SD卡一致，不同的是采用，通常采用LGA-8封装，尺寸为8mm x 6mm x 0.75mm，重点是采用贴片封装，可以直接贴在板卡上，直接解决了SD卡固定问题，再也不用为SD卡的接触稳定性操心！

• SD nand 与 SD卡除了封装上的区别，使用起来基本没什么不一样，因此下文中不再做区分，统一以SD nand作为描述。
• SD nand 和 SD 卡、SPI Nor flash、 nand flash、eeprom一样，都是嵌入式系统中常见的用来存储数据所使用的存储芯片，这几种存储芯片主要的区别在于存储数据容量不一样、操作的大小不一样，价格不一样，因此在实际产品设计中，往往需要根据自身产品的需求来选择对应的存储芯片。
• SD nand存储空间大小在上述存储系列芯片中属于偏大的，其存储空间小到 1Gb（256MB） 起步，大到可以到32G，最小读写单元通常是 512 Byte，与SD卡一样，均支持SD接口模式以及SPI接口模式（后文会详细描述其区别）。
• 关于采用SPI接口模式完成于SD nand和SD卡的通讯，网上也有相关资料，但描述均不是很清楚或完整，因此特整理此博客，以作记录及分享。
• 本博文以 CS 创世 CSNPGCR01-AOW 这颗IC为例，着重描述如何通过SPI接口完成SD nand（SD卡）的读写驱动。
• 2. SPI接口模式与SD接口模式区别
• 2.1 接口模式区别
• SD nand同时支持SPI接口和SD接口，接下来主要从以下几个维度分析二者的区别：
• 硬件资源角度：
• SD接口需要控制器具有SDIO外设硬件支持
• SPI接口如果控制器具有SPI硬件外设那就最好了，没有也可以使用软件模式SPI
• 传输效率：
• SD接口支持四线同时传输
• SPI只有MOSI一根总线
• 且接口速度上SD接口速度通常要大于SPI接口，因此SD效率远高于SPI接口
• 控制难度：
• SPI协议比较简单，也是嵌入式开发中最常使用的协议之一，只有MISO和MOSI两根数据总线，因此控制难度简单；
• SD协议相对SPI要复杂，且需要控制的引脚多，内部还存在状态机，相比SPI较为复杂
• 综上分析，SD接口效率更高，但是需要芯片有对应外设支持，而SPI接口虽然效率比不上SD接口，但是控制起来简单，且对芯片外设硬件依赖不高，对于低端的控制器，亦可使用软件模式SPI来驱动SD nand。
• 2.2 硬件引脚
• SD nand以及SD 卡在SPI接口以及SD接口模式下，硬件引脚如下图所示：
• SD nand SPI接口及SD接口模式IO定义

• SD卡 SPI接口及SD接口模式IO定义

• 2.3 注意事项
• 此外对于使用SPI接口需要注意的是，SPI接口只是定义了物理传输层，并没有定义完整的数据传输协议，因此上层软件还是需要遵循SD接口协议！
• 3. SD接口协议
• 在2.3中我们重点强调了，SPI接口只是定义了物理层，也即硬件链路层，关于协议层并没有定义，写一次依旧遵循SD接口协议，因此我们需要首先了解下SD总线协议的内容。
• SD 总线协议由SD卡协议定义，是一个通用的标准协议。首先说明的是，SD总线协议不仅仅只适用于SD卡，还支持IO卡，MMC卡等等，而且对这些不同类型的设备均能做出区分的！有点像USB一样牛逼！

• 我们首先来了解下SD总线协议中的命令及响应。

3.1 命令

• 命令由主机发出，分为广播命令和寻址命令
• 广播命令是针对与SD主机连接的所有设备发出的
• 寻址命令是指定某个地址的设备进行命令传输
• 3.1.1 命令格式
• 命令由48bit位（6字节）组成，格式如下：

• 起始位：1bit 固定为0
• 传输位：1bit 主要用于区分传输方向，1代表主机发送给从机的命令，0代表从机响应的主机命令
• 命令号：6bit 命令号索引，总共能表示2^6=64个命令
• 命令参数：32bit 命令所包含的参数信息
• CRC7：7bit CRC校验位，用于保证数据传输的正确性，生成器多项式为：G(x) = x^7 + x^3 + 1
• 3.1.2 命令类型
• 命令主要有4种类型：
• bc：无响应广播命令
• bcr：有响应广播命令
• ac：寻址命令，发送到选定卡，DAT线没有数据传输
• adtc：寻址数据传输命令，发送到选定的卡，且DAT线有数据传输
• 在SD总线协议中，经常见到的CMDx，代表的就是命令号，后面的x代表命令索引，在3.1.1中命令格式组成中描述了命令号总共占6bit，所以CMDx的范围是CMD0 - CMD63，CMD后面的数字代表的就是命令号command index的值。
• 对于SD这么复杂的协议，64种命令类型通常还不能涵盖所有类型的数据，因此SD协会在制定此协议的时候将命令继续细化，分了两种类型的命令：CMD和ACMD，CMD代表常规命令，ACMD代表特定应用的命令，ACMD通常为制造商特定使用的。
• 那么SD协议又是如何区分CMD和ACMD命令的呢？
• 在发送ACMD命令之前必须发送特定的CMD命令(APP_CMD)表明接下来的一帧命令是ACMD命令，在SD协议种规定此特定命令名称叫APP_CMD，也就是CMD55。
• 需要注意的是，CMD命令类型这么多，但实际上并没有都使用，针对SD nand（SD卡）的命令也就那么几条（注意SD模式命令的响应和SPI模式命令的响应有些许不同，SD模式请自行查阅手册）

• 上图中，命令序号对应3.1.1节命令格式中的命令号 command index，参数对应3.1.1节命令格式中的命令参数argument。
• 3.2 响应
• 针对需要响应的命令（bcr），SD nand（SD卡）在接收到命令之后会做出响应，根据命令的不同，响应的类型也不相同，其中命令中已规定哪个命令需要响应，并且返回什么类型的响应。
• 响应总共分为7中类型，分别是R1~R7，需要注意的是，SD nand（SD卡）没有R4、R5类型的响应。
• 响应的数据长度也并非完全一样，响应根据内容长度分为短响应和长响应，短响应长度为48bit（6Byte），长响应长度为136bit（17Byte），其中只有R2属于长响应，其他均属于短响应。
• 3.2.1 响应格式

• 其中重点讲下R1响应，在上图中我们可以看到R1返回的内容为卡的状态，关于卡状态的描述如下，每个bit均代表着对应的含义，如下图中所示：

• 上图是SD nand的内部结构，与SD卡完全类似，主要有五个部分组成，这里就不细述了，不然此篇文章会过于臃长，关于这块大家可以上网查找，需要重点注意的是内部有7个寄存器，主要用来对卡片进行配置和读取卡片有关的信息，描述如下，其中SD接口有些命令就指定了读取哪个寄存器的内容！