SD UHS-I 4bit 初始化命令及参数实例
本文内容产生于集创赛期间，笔者参与了 ISP 图像视频处理赛题，需要对 Micro SD Card 上的内容进行高速读取。
然而，在网上并未找到“高速的、支持 SDIO 4线模式，SDR104 时序”的 IP 核，故最终下定决心，自己使用 Verilog 手搓一个简单版的。
恰好手上有个高速读卡器，以及卡片若干，故使用逻辑分析仪进行抓取、参考。下文整理了卡初始化过程以及数据传输过程中的一些命令，时序等实例，用作记录，顺便分享。
卡初始化过程命令
根据 SD 协会标准（见参考部分），卡片初始化基本流程如下：
初始化过程的关键步骤包括重置卡、检查电压、电压切换、读取卡的 CID 和 CSD 信息（CMD9，未列出）、选择卡以及设置高速模式。根据卡的规格和协议，后续的配置可以包括切换到更高速度模式，如SDR104（最高速度250MHz），并为数据传输做准备。
数据抓取
使用 DSLogic 逻辑分析仪抓取，采样频率 500MHz。
接线示意图如下，仅做示意：
特别说明：后来笔者发现，实际上使用这个转接卡套，不能激发高速模式（高速模式的 IO 电平需 1.8V），正确的做法是把小卡插入这个读卡器背面的 Micro SD 专用卡槽（没拍照，所以还用这个图）。
命令解析方面，上位机软件内部带有解码器，可以自动解码并标识出命令及参数，笔者也人工校对了一部分，基本上自动解析是正确的。
解码示意图如下：
这里给个采样提示：后期在数据传输过程中，sdclk 为 250MHz，可能会存在命令与参数识别不准确的情况（采样率不够，部分比特位不准确），但可以人工根据协议标准进行还原。
金士顿 Canvas Go Plus 64GB
表格内顺序即为初始化过程的时序顺序。
| 命令 | 参数 | CRC | 说明 |
|---|---|---|---|
| CMD0 | 0x0000_0000 | 0x4a | 重置卡 |
| CMD8 | 0x0000_01aa | 0x43 | 电源电压检查 |
| CMD55 | 0x0000_0000 | 0x32 | 指示下一条为 APPLICAATION 命令 |
| ACMD41 | 0x51fc_0000 | 0x1a | [30] HCS=1, 主机支持高容量卡; [28] XPC=1, 在 SDXC 默认速度等级使用 150mA; [24] S18R=1, 请求卡切换到 1.8V 注意，需要一直循环进行 CMD55+ACMD41 的请求，直到 R3 参数的 bit 31 拉高。 |
| CMD11 | 0x0000_0000 | 0x3b | 卡电压切换 注1：得到 R1 响应后，sdclk 至少停止 5ms，在此期间 Host 完成电压切换。 注2：如果一开始就是 1.8V 下操作，Response 的 S18A 将为 0，表示电平不变。 |
| CMD2 | 0x0000_0000 | 0x26 | 询问卡的 CID 信息 |
| CMD3 | 0x0001_0000 | 0x3f | 请求新的 RCA 地址;
此命令执行后，卡进入数据传输状态； 注：不知为啥参数用了个 1。本来全 0 好像就行了。 |
| CMD9 | 0x{rca}_0000 | 请求指定的卡返回它的 specific data (CSD) | |
| CMD7 | 0x{rca}_0000 | 卡选择命令，选中指定 RCA 的卡 注：执行此命令前，时钟由 200K 拉高到 25Mhz。 |
|
| CMD55 | 0x{rca}_0000 | 指示下一条为 APPLICAATION 命令 | |
| ACMD6 | 0x0000_0002 | 0x65 | 设置总线宽度为 4bit |
| CMD55 | 0x{rca}_0000 | 指示下一条为 APPLICAATION 命令 | |
| ACMD51 | 0x0000_0000 | 0x63 | 读取卡配置寄存器 SCR |
| CMD17 | 0x0000_0000 | 0x2a | Read Single Block。读取地址为 0x0。（应该是测试） |
| CMD6 | 0x00ff_ffff | 0x71 | Check 模式。检查卡支持的功能。 注：CMD6 命令，卡返回的信息在 DAT 数据线上。 |
| CMD6 | 0x00ff_3fef | 0x56 | Check 模式。检查是否支持 800mA 以及一个 "Vendor Specific"
功能。(e) 注：从分析来看，两条 CMD6 命令之间的执行间隔比较大 |
| CMD6 | 0x80ff_3fef | 0x4d | Switch 模式。切换 800mA 以及 "Vendor
Specific"。 注1：此条完成后，时钟切换到 250MHz。 注2：按手册，切换 SDR104 应该是使用 0x80ff_3ff3。 |
| CMD19 | 0x0000_0000 | 时序调整测试命令（方便主机调整采样时刻） |
闪迪 Ultra 红灰卡 64GB
经逻辑分析仪实际测试，与上表完全一致。
实际上，主控在读卡的过程中，会使用指令来获取厂商信息，以便确定具体使用的命令和参数。可能是此卡的参数恰好和上一张通用，因此命令一致。
数据传输过程命令
下面是收集到的一些常用命令。
| 命令 | 参数 | CRC | 说明 |
|---|---|---|---|
| CMD23 | [31:0] block count | 块计数器设置，用于替代 CMD12 进行多块读写控制。其后面应当紧随
CMD18。 查找了一些资料，嗯，看起来是达到指定的块后自动停止。 |
|
| CMD12 | 0x0000_0000 | 用于停止多块数据传输。在命令停止位后的两个 clk 周期后数据停止传输 | |
| CMD17 | [31:0] data address | 单块读取。 对于标准容量 SD 存储卡，该命令读取由 CMD16 命令选择的大小的块。 对于 SDHC 和 SDXC 卡，块长度固定为 512 字节。 |
|
| CMD18 | [31:0] data address | Read Multiple Block。连续将数据块从卡传输到主机，直到被 CMD12
命令中断。 块长度的指定与 CMD17 命令的情况相同。 |
参考
- SD Association 的 v3.01 版本协议
- sdhci_set_transfer_mode函数解析
- SD卡相关寄存器简介