以下内容来自正点原子的FPGA开发指南，觉得讲的不错，就搬了过来。
一、SD卡简介
SD卡的英文全称是Secure Digital Card，即安全数字卡（又叫安全数码卡），是在MMC卡 （Multimedia Card，多媒体卡）的基础上发展而来，主要增加了两个特色：更高的安全性和更快的读写速度。SD卡和MMC卡的长度和宽度都是32mm x 24mm，不同的是，SD卡的厚度为2.1mm， 而MMC卡的厚度为1.4mm，SD卡比MMC卡略厚，以容纳更大容量的存贮单元，同时SD卡比MMC卡触 点引脚要多，且在侧面多了一个写保护开关。SD卡与MMC卡保持着向上兼容，也就是说，MMC卡可以被新的SD设备存取，兼容性则取决于应用软件，但SD卡却不可以被MMC设备存取。SD卡和MMC卡可通过卡片上面的标注进行区分，如下图左侧图片上面标注为“MultiMediaCard”字母样式的为MMC卡，右侧图片上面标注为“SD”字母样式的为SD卡。
上图中右侧图片的SD卡实际上为SDHC卡，SD卡从存储容量上分为3个级别，分别为：SD卡、SDHC卡（Secure Digital High Capacity，高容量安全数字卡）和SDXC卡（SD eXtended Capacity，容量扩大化的安全存储卡）。SD卡在MMC卡的基础上发展而来，使用FAT12/FAT16文件系统，SD卡采用SD1.0协议规范，该协议规定了SD卡的最大存储容量为2GB；SDHC卡是大容量存储SD卡，使用FAT32文件系统，SDHC卡采用SD2.0协议规范，该协议规定了SDHC卡的存储容量范围为2GB至32GB；SDXC卡是新提出的标准，不同于SD卡和SDHC卡使用的FAT文件系统，SDXC卡使用exFAT文件系统，即扩展FAT文件系统。SDXC卡采用SD3.0协议规范，该协议规定了SDXC卡的存储容量范围为32GB至2TB（2048GB），一般用于中高端单反相机和高清摄像机。
不同协议规范的SD卡有着不同速度等级的表示方法。在SD1.0协议规范中（现在用的较少），使用“X”表示不同的速度等级；在SD2.0协议规范中，使用SpeedClass表示不同的速度等级；SD3.0协议规范使用UHS（Ultra High Speed）表示不同的速度等级。SD2.0规范中对SD卡的速 度等级划分为普通卡（Class2、Class4、Class6）和高速卡（Class10）；SD3.0规范对SD卡的速度等级划分为UHS速度等级1和3。不同等级的读写速度和应用如下图所示。
SD卡共有9个引脚线，可工作在SDIO模式或者SPI模式。在SDIO模式下，共用到CLK、CMD、DAT[3:0]六根信号线；在SPI模式下，共用到CS（SDIO_DAT[3]）、CLK（SDIO_CLK）、MISO（SDIO_DAT[0]）、MOSI（SDIO_CMD）四根信号线。SD卡接口定义以及各引脚功能说明如图 39.1.3所示。
市面上除标准SD卡外，还有MicroSD卡（原名TF卡），是一种极细小的快闪存储器卡，是 由SanDisk(闪迪)公司发明，主要用于移动手机。MicroSD卡插入适配器（Adapter）可以转换成SD卡，其操作时序和SD卡是一样的。MicroSD卡接口定义以及各引脚功能说明如图 39.1.4所示。
标准SD卡2.0版本中，工作时钟频率可以达到50Mhz，在SDIO模式下采用4位数据位宽，理 论上可以达到200Mbps（50Mx4bit）的传输速率；在SPI模式下采用1位数据位宽，理论上可以达到50Mbps的传输速率。因此SD卡在SDIO模式下的传输速率更快，同时其操作时序也更复杂。对于使用SD卡读取音乐文件和图片来说，SPI模式下的传输速度已经能够满足我们的需求，因此我们本章采用SD卡的SPI模式来对SD卡进行读写测试。
二、SD卡的命令与返回数据
SD卡在正常读写操作之前，必须先对SD卡进行初始化，SD卡的初始化过程就是向SD中写入命令，使其工作在预期的工作模式。在对SD卡进行读写操作时同样需要先发送写命令和读命令，因此SD卡的命令格式是学习SD卡的重要内容。SD卡的命令格式由6个字节组成，发送数据时高位在前，SD卡的写入命令格式如下图所示：
Byte1：命令字的第一个字节为命令号（如CMD0、CMD1等），格式为“0 1 x x x x x x”。命令号的最高位始终为0，是命令号的起始位；次高位始终为1，是命令号的发送位；低6位为具体的命令号（如CMD55，8’d55 = 8’b0011_0111，命令号为 0 1 1 1 0 1 1 1 = 0x77）。
Byte2~Byte5：命令参数，有些命令参数是保留位，没有定义参数的内容，保留位应设置为0。
Byte6：前7位为CRC（循环冗余校验）校验位，最后一位为停止位0。SD卡在SPI模式下默 认不开启CRC校验，在SDIO模式下开启CRC校验。也就是说在SPI模式下，CRC校验位必须要发，但是SD卡会在读到CRC校验位时自动忽略它，所以校验位全部设置为1即可。需要注意的是，SD卡上电默认是SDIO模式，在接收SD卡返回CMD0的响应命令时，拉低片选CS，进入SPI模式。所 以在发送CMD0命令的时候，SD卡处于SDIO模式，需要开启CRC校验。另外CMD8的CRC校验是始终启用的，也需要启用CRC校验。除了这两个命令，其它命令的CRC可以不用做校验。
SD卡的命令分为标准命令（如CMD0）和应用相关命令（如ACMD41）。ACMD命令是特殊命令，发送方法同标准命令一样，但是在发送应用相关命令之前，必须先发送CMD55命令，告诉SD卡接下来的命令是应用相关命令，而非标准命令。发送完命令后，SD卡会返回响应命令的信息，不同的CMD命令会有不同类型的返回值，常用的返回值有R1类型、R3类型和R7类型（R7类型是CMD8命令专用）。SD卡的常用命令说明如下表（表 39.1.2）所示。
SD卡返回类型R1数据格式如下图所示：
由上图可知，SD卡返回类型R1格式共返回1个字节，最高位固定为0，其它位分别表示对应状态的标志，高电平有效。
SD卡返回类型R3数据格式如下图所示：
由上图可知，SD卡返回类型R3格式共返回5个字节，首先返回的第一个字节为前面介绍的R1的内容，其余字节为OCR（Operation Conditions Register，操作条件寄存器）寄存器的内容。
SD卡返回类型R7数据格式如下图所示：
由上图可知，SD卡返回类型R7格式共返回5个字节，首先返回的第一个字节为前面介绍的R1的内容，其余字节包含SD卡操作电压信息和校验字节等内容。其中电压范围是一个比较重要的参数，其具体内容如下所示：
SD卡在正常读写操作之前，必须先对SD卡进行初始化，使其工作在预期的工作模式。SD卡1.0版本协议和2.0版本协议在初始化过程中有区别，只有SD2.0版本协议的SD卡才支持CMD8命令，所以响应此命令的SD卡可以判断为SD2.0版本协议的卡，否则为SD1.0版本协议的SD卡或者MMC卡；对于CMD8无响应的情况，可以发送CMD55 + ACMD41命令，如果返回0，则表示SD1.0协 议版本卡初始化成功，如果返回错误，则确定为MMC卡；在确定为MMC卡后，继续向卡发送CMD1命令，如果返回0，则MMC卡初始化成功，否则判断为错误卡。
三、SD卡的初始化
由于市面上大多采用SD2.0版本协议的SD卡，接下来我们仅介绍SD2.0版本协议的初始化流程，以下提到的SD卡均代表基于SD2.0版本协议的SDHC卡，其详细初始化步骤如下：
1、 SD卡完成上电后，主机FPGA先对从机SD卡发送至少74个以上的同步时钟，在上电同 步期间，片选CS引脚和MOSI引脚必须为高电平（MOSI引脚除发送命令或数据外，其 余时刻都为高电平）；
2、 拉低片选CS引脚，发送命令CMD0（0x40）复位SD卡，命令发送完成后等待SD卡返回响应数据；
3、 SD卡返回响应数据后，先等待8个时钟周期再拉高片选CS信号，此时判断返回的响应数据。如果返回的数据为复位完成信号0x01，在接收返回信息期间片选CS为低电平，此时SD卡进入SPI模式，并开始进行下一步，如果返回的值为其它值，则重新执行第2步；
4、 拉低片选CS引脚，发送命令CMD8（0x48）查询SD卡的版本号，只有SD2.0版本的卡才支持此命令，命令发送完成后等待SD卡返回响应数据；
5、 SD卡返回响应数据后，先等待8个时钟周期再拉高片选CS信号，此时判断返回的响应数据。如果返回的电压范围为4’b0001即2.7V~3.6V，说明此SD卡为2.0版本，进行下一步，否则重新执行第4步；
6、 拉低片选CS引脚，发送命令CMD55（0x77）告诉SD卡下一次发送的命令是应用相关命令，命令发送完成后等待SD卡返回响应数据；
7、 SD卡返回响应数据后，先等待8个时钟周期再拉高片选CS信号，此时判断返回的响应数据。如果返回的数据为空闲信号0x01，开始进行下一步，否则重新执行第6步。
8、 拉低片选CS引脚，发送命令ACMD41（0x69）查询SD卡是否初始化完成，命令发送完成后等待SD卡返回响应数据；
9、 SD卡返回响应数据后，先等待8个时钟周期再拉高片选CS信号，此时判断返回的响应数据。如果返回的数据为0x00，此时初始化完成，否则重新执行第6步。
SD卡上电及复位命令时序如下图所示：
四、SD卡的读写操作
至此，SD卡完成了复位以及初始化操作，进入到SPI模式的读写操作。需要注意的是：SD卡在初始化的时候，SPI_CLK的时钟频率不能超过400KHz，在初始化完成之后，再将SPI_CLK的时钟频率切换至SD卡的最大时钟频率。尽管目前市面上的很多SD卡支持以较快的时钟频率进行初始化，为了能够兼容更多的SD卡，在SD卡初始化的时候时钟频率不能超过400KHz。
SD卡读写一次的数据量必须为512字节的整数倍，即对SD卡读写操作的最少数据量为512个字节。我们可以通过命令CMD16来配置单次读写操作的数据长度，以使每次读写的数据量为（n*512）个字节（n≥1），本次SD卡的读写操作使用SD卡默认配置，即单次读写操作的数据量为512个字节。
SD卡初始化完成后，即可对SD卡进行读写测试，SD卡的读写测试是先向SD卡中写入数据，再从SD卡中读出数据，并验证数据的正确性。SD卡的写操作时序图如下图所示：
SD卡的写操作流程如下：
1、 拉低片选CS引脚，发送命令CMD24（0x58）读取单个数据块，命令发送完成后等待SD卡返回响应数据；
2、 SD卡返回正确响应数据0x00后，等待至少8个时钟周期，开始发送数据头0xfe；
3、 发送完数据头0xfe后，接下来开始发送512个字节的数据；
4、 数据发送完成后，发送2个字节的CRC校验数据。由于SPI模式下不对数据进行CRC校验，直接发送两个字节的0xff即可；
5、 校验数据发送完成后，等待SD卡响应；
6、 SD卡返回响应数据后会进入写忙状态（MISO引脚为低电平），即此时不允许其它操 作。当检测到MISO引脚为高电平时，SD卡此时退出写忙状态；
7、 拉高CS引脚，等待8个时钟周期后允许进行其它操作。
SD卡的读操作时序图如下图所示：
SD卡的读操作流程如下：
1、 拉低片选CS引脚，发送命令CMD17（0x51）读取单个数据块，命令发送完成后等待SD卡返回响应数据；
2、 SD卡返回正确响应数据0x00后，准备开始解析SD卡返回的数据头0xfe；
3、 解析到数据头0xfe后，接下来接收SD卡返回的512个字节的数据；
4、 数据解析完成后，接下来接收两个字节的CRC校验值。由于SPI模式下不对数据进行CRC校验，可直接忽略这两个字节；
5、 校验数据接收完成后，等待8个时钟周期；
6、 拉高片选CS引脚，等待8个时钟周期后允许进行其它操作。