1. SD卡操作模式

SD 卡系统(包括主机和 SD卡)定义了两种操作模式：卡识别模式和数据传输模式。在系统复位后，主机处于卡识别模式，寻找总线上可用的 SDIO 设备；同时，SD 卡也处于卡识别模式，直到被主机识别到，即当 SD卡接收到 SEND_RCA(CMD3)命令后，SD卡就会进入数据传输模式，而主机在总线上所有卡被识别后也进入数据传输模式。在每个操作模式下，SD卡都有几种状态，如下图所示，通过命令控制实现卡状态的切换。

操作模式	SD 卡状态
无效模式(Inactive)	无效状态(Inactive State)
卡识别模式(Card identification mode)	空闲状态(Idle State)
	准备状态(Ready State)
	识别状态(Identification State)
数据传输模式(Data transfer mode)	待机状态(Stand-by State)
	传输状态(Transfer State)
	发送数据状态(Sending-data State)
	接收数据状态(Receive-data State)
	编程状态(Programming State)
	断开连接状态(Disconnect State)

2. SD卡识别模式

当处于卡识别模式时，主机将所有处于卡识别模式的卡重置，验证操作电压范围，识别卡并询问它们发布的Relative Card Address(RCA)。这个操作是在每个卡各自的CMD命令行上分别执行。在卡识别模式下，所有数据通信都只使用CMD命令行。

在SD卡的识别过程中，SD时钟频率在100KHz ~ 400KHz范围内工作。

2.1 SD卡Reset

命令GO_IDLE_STATE (CMD0)是软件复位命令，无论当前卡处于什么状态，它将每个卡都设置为 Idle状态。处于Inactive 状态的卡不受此命令影响。主机上电后，所有卡都处于 Idle状态，包括之前处于Inactive 状态的卡。

上电或CMD0后，所有卡的CMD数据线都处于输入模式，等待接收下一条命令。这些卡被初始化为一个默认的SD卡相对地址(RCA=0x0000)，并设置SD卡驱动级寄存器(DSR)默认为最低的速度和最高的驱动能力。

2.2 SD卡操作条件的确认

在主机和SD卡开始通信时，主机可能不知道SD卡支持的电压，SD卡也可能不知道它是否支持当前提供的电压。主机发出一个复位命令(CMD0)，同时假定它电压可能被SD卡支持。为了验证电压，在《 Physical Layer Specification Version 2.00》文档中定义了以下新命令(CMD8)。

SEND_IF_COND (CMD8)用于验证SD卡接口操作条件。SD卡通过分析CMD8的参数来检测操作条件的有效性，主机通过分析CMD8的响应来检测操作条件的有效性。提供的电压通过命令CMD8的参数VHS域来指定。SD卡以VHS中指定的电压作为当前提供的电压。通过CRC和Check Pattern(‘10101010b’)来检测主机与SD卡之间通信的有效性。

如果SD卡支持在提供的电压上操作，在响应命令的参数中会包含提供的电压和Check Pattern(‘10101010b’)。
如果SD卡不支持在提供的电压下工作，它没有任何响应返回并保持在Idle状态。为初始化大容量SD存储卡，必须在第一个ACMD41之前发出CMD8(如下图4 - 1)。接收CMD8能被SD卡识别到，需要主机支持《 Physical Layer Specification Version 2.00》和SD卡支持该新功能。

SD_SEND_OP_COND (ACMD41)被设计为为主机提供一种机制来识别和拒绝与主机所提供的V_DD范围不匹配的卡。不能在指定范围内进行数据传输的SD卡，应放弃总线操作，进入Inactive 状态。OCR寄存器定义了相关的电压等级。

注意：ACMD41是特定应用程序的命令，因此APP_CMD (CMD55)应该始终在ACMD41之前被发送。在idle_state中用于CMD55的RCA将是SD卡的默认值(RCA = 0 x0000)。

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通过在命令ACMD41的参数中将OCR设置为0，主机可以查询每个卡并确定公共电压范围，然后再将超出范围的卡发送到 Inactive 状态。ACMD41只是作为查询发出，SD卡不会开始初始化。之后，主机可以选择一个工作电压，并在这种情况下重新发出ACMD41，将不兼容的卡发送到 Inactive 状态。在初始化过程中，主机不允许改变工作电压范围。

2.3 SD卡初始化和识别过程

总线被激活后，主机开始SD卡的初始化和识别过程（参考下图4-2）。初始化过程从SD_SEND_OP_COND（ACMD41）开始，通过设置操作条件和OCR(Operation Conditions Register)中的HCS(Host Capacity Support)位。

HCS（Host Capacity Support）位设置为：

1：表示主机支持大容量SD存储卡。
0：表示主机不支持大容量SD存储卡。

使用命令CMD8扩展了ACMD41的功能；发送命令ACMD41时会带有参数HCS，ACMD41对应的响应为R3(OCR register)，包含：V_DD电压范围、SD卡容量状态CCS（Card Capacity Status）。如果SD卡没有相应CMD8，那么ACMD41参数HCS会被SD卡忽略。但是，如果卡没有返回对CMD8的响应，主机应该将HCS设置为0 。标准容量的SD卡将忽略HCS。如果HCS设置为0，则大容量SD卡永远不会返回就绪状态(保持Busy Bit为0)。OCR中的Busy Bit被SD卡用来告知主机ACMD41的初始化是否完成。

OCR中的Busy Bit设置为：

0：表示该SD卡仍处于初始化状态。
1：表示该SD卡初始化已经完成。

主机反复发出ACMD41，直到Busy Bit设置为1。SD卡只在第一个ACMD41检查OCR中的Operational Conditions和HCS位。当重复ACMD41时，主机不得发出除CMD0以外的其他命令。

当卡响应CMD8时，ACMD41的响应中包含CCS字段信息。当SD卡返回Ready(Busy Bit设置为1)时，CCS生效。

CCS（Card Capacity Status）设置为：

0：表示该卡为 Standard Capacity SD Memory Card
1：表示该卡为 High Capacity SD Memory Card

主机对系统中的所有新卡执行相同的初始化顺序，不兼容的卡将被发送到 Inactive 状态。然后主机向每个卡发出命令ALL_SEND_CID (CMD2)，以获得其唯一的卡标识(CID)号。未识别的卡（即处于就绪状态的卡）发送其CID号作为响应（在CMD线上）。在卡发送CID后，它进入识别状态。然后，主机发出CMD3 (SEND_RELATIVE_ADDR)请求卡发布一个新的相对卡地址(RCA)，它比CID短，在未来的数据传输模式中用于给卡寻址。一旦接收到RCA，SD卡状态就会变为待机状态。此时，如果主机希望分配另一个RCA号码，它可以通过向卡发送另一个CMD3命令来要求卡发布一个新号码。最后发布的RCA是SD卡的实际RCA号。

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3. SD卡数据传输模式

在SD卡识别模式结束之前，主机应保持在 f_OD (400kHz)频率，因为在SD卡识别模式期间，有些SD卡可能有操作频率限制。在数据传输模式下，主机可以在 f_PP (25MHz)频率范围内对卡进行操作。主机发出SEND_CSD(CMD9)以获取与SD卡有关的数据(CSD寄存器)，例如块长度、卡的储存容量等。

广播命令SET_DSR (CMD4)配置所有识别卡的 Driver Stage Register。它根据应用总线的布局(长度)、总线上卡的数量和数据传输频率来编程DSR寄存器。时钟速率也从 f_OD 切换到 f_PP。SET_DSR命令是SD卡和主机的一个选项（非必须）。

CMD7用于选择一张SD卡并将其置于传输状态，在同一时刻只能有一张卡处于传输状态。如果先前选择的卡处于传输状态，它与主机的连接将被释放，它将返回到 Stand-by 状态。当CMD7以保留的相对卡片地址“0x0000”发出时，所有卡片都被退回到 Stand-by 状态。

注意：主机预留 RCA = 0x0000 用于退出选择。

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这可以在识别新卡之前使用，而不用重置其他已经注册的卡。处于此状态的SD卡已经有一个RCA后，将不响应识别命令(例如：ACMD41, CMD2)。

注意：如果确认的SD卡获取到CMD7不匹配的RCA后，该卡将取消选择。

下面总结各种数据传输模式之间的关系：

所有数据读取命令都可以在任何时候通过停止命令(CMD12)中止。数据传输将终止，SD卡将返回到 Transfer 状态。读命令包括:块读(CMD17)、多块读(CMD18)、发送写保护(CMD30)、发送scr (ACMD51)和读模式的通用命令(CMD56)。
所有数据写命令都可以在任何时候通过停止命令(CMD12)中止。在CMD7取消对卡的选择之前，应该停止写命令。写入命令包括：块写入（CMD24和CMD25），程序CSD（CMD27），锁定/解锁命令（CMD42）和写入模式下的常规命令（CMD56）。
一旦数据传输完成，SD卡将退出数据写入状态，并移动到 Programming 状态(传输成功) 或 Transfer 状态(传输失败)。
如果一个块写操作被停止，并且最后一个块的块长度和CRC是有效的，数据将被编程。
SD卡可以为块写入提供缓冲。这意味着在前一个块被编程时，下一个块可以被发送到SD卡。如果所有写缓冲区都满了，只要SD卡处于 Programming 状态(见SD卡状态图图4-3)，DAT0线就会保持低(BUSY)。
写CSD、写保护和擦除没有缓冲选项。这意味着当SD卡忙着处理这些命令中的任何一条时，其他的数据传输命令将不会被接受。只要卡忙且处于 Programming 状态，DAT0线就会保持低电平。
当卡在编程时，参数设置命令是不允许的。参数设置命令包括：设置块长度（CMD16），擦除块开始（CMD32）和擦除块结束（CMD33）。
当卡在编程时不允许读命令。
将另一张卡从 Stand-by 状态转移到 Transfer 状态(使用CMD7)不会终止擦除和编程操作。卡将切换到 Disconnect 状态，将释放DAT线。
在 Disconnect 状态下，可以使用CMD7重新选择卡。在这种情况下，卡将转移到 Programming 状态并重新激活占线指示。
重置SD卡(使用CMD0或CMD15)将终止任何挂起的或正在进行的编程操作。这可能会破坏卡上的数据内容。防止这种情况发生是主机的责任。
CMD34-37、CMD50、CMD57预留用于SD命令系统扩容。这些命令的状态转换在每个命令系统规范中都有定义。

4. 参考资料

SDIO参考的资料如下：
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下载地址如下：
https://download.csdn.net/download/ZHONGCAI0901/14975835

【SDIO】SD2.0协议分析总结（二）-- SD卡识别&数据传输过程

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