SD卡初始化、命令及响应命令格式（详细）讲解

一、简介

SD卡(Secure Digital Memory Card)在我们生活中已经非常普遍了， 控制器对SD卡进行读写通信操作一般有两种通信接口可选，一种是SPI接口，另外一种是SDIO接口。

SDIO全称是安全数字输入/输出接口，多媒体卡(MMC)、SD卡、SD I/O卡（专指使用SDIO接口的一些输入输出设备）都可使用SDIO接口通讯。 STM32F10x系列控制器有一个SDIO主机接口，它支持与上述使用SDIO接口的设备进行数据传输。

二、详细介绍

2.1 引脚定义

SD卡使用9-pin的接口，其中3根电源线、1根时钟线、1根命令线和4根数据线，具体说明如下：

CLK：同步时钟线，由SDIO主机产生，即由STM32控制器输出；使用SPI模式时，该引脚与SPI总线的SCK时钟信号相连；

CMD：命令控制线，SDIO主机通过该线发送命令控制SD卡，如果命令要求SD卡提供应答(响应)，SD卡也是通过该线传输应答信息； 使用SPI模式时，该引脚与SPI总线的MOSI信号相连，SPI主机通过它向SD卡发送命令及数据，但因为SPI总线的MOSI仅用于主机向从机输出信号，所以SD卡 返回应答信息时不使用该信号线；

D0-3：在SDIO模式下，它们均为数据线，传输读写数据，SD卡可将D0拉低表示忙状态；在SPI模式下，D0与SPI总线的MISO信号相连， SD卡通过该信号线向主机发送数据或响应，D3与总线的CS信号相连，SPI主机通过该信号线选择要通讯的SD卡。

VDD、VSS1、VSS2：电源和地信号，其中Micro SD卡不包含VSS2信号，即Micro SD卡仅有8根线。

2.2 SD卡寄存器

SD卡总共有8个寄存器，用于设定或表示SD卡信息，参考表 SD卡寄存器。 这些寄存器只能通过对应的命令访问，对SD卡进行控制操作并不是像操作控制器GPIO相关寄存器那样一次读写一个寄存器， 它是通过命令来控制的，SD卡定义了64个命令（部分命令不支持SPI模式），每个命令都有特殊意义，可以实现某一特定功能， SD卡接收到命令后，根据命令要求对SD卡内部寄存器进行修改，程序控制中只需要发送组合命令就可以实现SD卡的控制以及读写操作。

2.3 命令格式

起始位和终止位：命令的主体包含在起始位与终止位之间，它们都只包含一个数据位，起始位为0，终止位为1。

传输标志：用于区分传输方向，该位为1时表示命令，方向为主机传输到SD卡，该位为0时表示响应，方向为SD卡传输到主机。

命令主体内容包括命令、地址信息/参数和CRC校验三个部分。

命令号：它固定占用6bit，所以总共有64个命令(代号：CMD0~CMD63)，每个命令都有特定的用途， 部分命令不适用于SPI总线，或不适用于SD卡操作，只是专门用于MMC卡或者SD I/O卡。

地址/参数：每个命令有32bit地址信息/参数用于命令附加内容，例如，广播命令没有地址信息，这32bit用于指定参数， 而寻址命令这32bit用于指定目标SD卡的地址，当使用SDIO驱动多张SD卡时，通过地址信息区分控制不同的卡，使用SPI总线驱动时， 通过片选引脚来选择不同的卡，所以使用这些命令时地址可填充任意值。

CRC7校验：长度为7bit的校验位用于验证命令传输内容正确性，如果发生外部干扰导致传输数据个别位状态改变将导致校准失败， 也意味着命令传输失败，SD卡不执行命令。使用SDIO驱动时，命令中必须包含正确的CRC7校验值；而使用SPI驱动时， 命令中的CRC7校验默认是关闭的，即这CRC7校验位中可以写入任意值而不影响通讯，仅在发送CMD0命令时需要强制带标准的CRC7校验。

2.4 SD卡读写操作

读写操作都是由主机发起的，主机发送不同的命令表示读或写，SD卡接收到命令后先针对命令返回响应。在读操作中， SD卡返回一个数据块，数据块中包含CRC校验码；在写操作中，主机接收到命令响应后需要先发送一个标志（TOKEN）然后紧跟一个要写入的数据块， 卡接收完数据块后回反回一个数据响应及忙碌标志，当SD卡把接收到的数据写入到内部存储单元完成后，会停止发送忙碌标志，主机确认SD卡空闲后，可以发送下一个命令。

2.4.1 读过程

读过程：
(1) 拉低片选信号，调用SD_SendCmd向SD卡发送CMD17命令以及命令参数（即要读取的地址ReadAddr）
(2) SD卡接收到该命令后，将会返回一个字节的R1响应、 一个字节的单块数据读取Token、一个从ReadAddr地址开始的数据块内容、2个字节的CRC校验码
(3) 接收到R1响应后，检查SD卡是否返回单块数据读取的Token，Token值为0xFE
(4) 接收到Token， 使用for循环接收长度为BlockSize个字节的数据
(5) 读取完数据后，SD卡还返回2个字节的CRC校验码，SD卡在SPI模式下不进行校验，但还是要让SD卡完成发送流程，所以调用2次write 以产生时钟驱动SD卡输出校验码。

2.4.2 写过程

(1) 拉低片选信号，调用SD_SendCmd向SD卡发送CMD24命令以及命令参数（即要写入的地址WriteAddr）
(2) 接收到R1响应后，向SD卡发送单块数据开始的Token：0xFE
(3) SD卡接收到此Token值后，将把后续接收到的字节理解成要写入的数据
(4) 循环写入长度为BlockSize个字节的数据
(5) 写入完数据后，还继续向SD卡发送2个字节的CRC校验码，虽然SD卡在SPI模式下默认不进行校验，但还是要完成发送流程，所以发送了两个0xFF。

2.5 MMC和SD区别

项目	MMC 卡	SD 卡
推出时间	1997 年（由SanDisk和Siemens）	1999 年（由SanDisk、Panasonic和Toshiba）
设计目标	通用存储设备	更安全的消费类存储，带版权保护
外形尺寸	通常与标准 SD 卡相同，但略薄（1.4 mm）	标准厚度为 2.1 mm
引脚数量	最初 7 引脚，后扩展到13（eMMC为BGA）	9 引脚（更多功能支持）
接口协议	MMC协议（可选SPI模式）	SD协议（也支持SPI模式）
最大容量	理论支持至2TB，但不常见	SDHC（32GB），SDXC（2TB），SDUC（128TB）
数据传输速度	较慢（原始MMC ~20MB/s）	更快（SD UHS-I、UHS-II、UHS-III，速度达624MB/s以上）
安全特性	无 DRM（数字版权管理）	内建CPRM（内容保护）机制
主流支持情况	几乎淘汰（嵌入式eMMC仍使用）	市场主流，广泛应用于相机、手机等
安装方式	BGA焊接在主板上	可插拔
应用场景	手机、平板、嵌入式系统	相机、存储卡
可替换性	不可更换	可更换
协议	JEDEC eMMC协议	SD协议
性能	稳定、便宜、慢于UFS	视SD等级而定，UHS/SD Express更快

2.6 SD卡识别过程

控制器对SD卡进行数据读写之前需要识别卡的种类：MMC卡、V1.0标准卡、V2.0标准卡、V2.0高容量卡或者不被识别卡， 见图 卡识别流程。因为版本众多，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，以寻找总线上可用的设备，区分出不同各类的卡； 同时，SD卡也处于卡识别模式，直到被主机识别到，之后SD卡就会进入数据传输模式。

2.6.1 复位初始化

MMC卡在 SPI 模式下不能立即工作，必须先执行初始化流程：
（1）发送80个时钟（拉高CS并发送10个0xFF）

（2）发送 CMD0（复位命令）

命令格式： 0x40 | cmd（6位命令） + 参数（32位） + CRC（8位）
CMD0: GO_IDLE_STATE
主机发送: 0x40 00 00 00 00 95
若卡正确响应，将返回 R1响应：0x01（表示处于 Idle 状态）

2.6.2 SD卡版本确认

SD 卡 CMD8 命令（发送接口条件）是 SD 卡初始化过程中的关键命令，用于确定卡的电压范围和支持的电气标准
字节位置 含义 数值 / 说明
第 1 字节 命令标志 + 命令号 0x48（最高位为 0，其余 7 位为命令号 8 → 0x08，故 0x00 + 0x08 = 0x48）
第 2-5 字节 32 位参数（Argument） 包含电气特性和校验模式，具体格式见下文。
第 6 字节 CRC 校验 + 结束位 SPI 模式下固定为0x87（CRC7 值为 0x07，最高位补 1 → 0x07 | 0x80 = 0x87）

典型 CMD8 命令示例
检查卡是否支持 2.7V-3.6V 电压，校验模式设为 0xAA：
命令：0x48 0x00 0x00 0x01 0xAA 0x87
第 1 字节：0x48（CMD8 命令号）；
第 2-3 字节：0x00 0x00（保留位）；
第 4 字节：0x01（VHS=0x01，表示 2.7V-3.6V）；
第 5 字节：0xAA（校验模式）；
第 6 字节：0x87（固定 CRC）。

2.6.3 SD卡初始化

发送 CMD1（MMC 初始化） 或 ACMD41（SD卡）来等待卡初始化完成。

MMC卡：发送 CMD1 直到返回 0x00
SD卡：发送 CMD55 + ACMD41

2.6.4 CMD58

CMD58命令以读取OCR寄存器的CCS位，接收SD卡的响应，若CCS=0，则表示该卡为SDSC卡（容量小于等于2GB），若CCS=1，则表示该卡为SDHC卡（容量大于2GB）

2.6.5 读取单个扇区（512字节）流程

选中 CS（拉低）
发送 CMD17（读单块）：0x51 + block address + CRC
等待响应（R1 响应应为 0x00）
等待数据起始标志（0xFE）
连续读取 512 字节数据
读取 2 字节 CRC（可忽略）
拉高 CS

第 1 字节 命令标志 + 命令号 0x51
第 2-5 字节 32 位数据块地址参数 需读取的块起始地址（单位：字节），需对齐到块大小（如 512 字节块，地址为 512 的整数倍）。
例如：读第 2 块（地址 = 2×512=0x00000400），则这 4 字节为0x00 0x00 0x04 0x00。
第 6 字节 CRC 校验 + 结束位 SPI 模式下可忽略 CRC，直接填0xFF（结束位为 1，低 7 位随意）。

2.6.6 写单个扇区（512字节）流程

写数据比读复杂一点，需要写命令 → 等待响应 → 发0xFE → 发数据 → CRC → 等待写入完成。

简要步骤如下：
发送 CMD24（写单块）
等待 R1 响应 0x00
发送数据起始标志 0xFE
发送 512 字节数据
发送 2 字节 CRC（可为0）
等待响应令牌（0x05 表示数据接受成功）
等待写入完成（卡返回0xFF）

2.6.7 SD卡响应值

1、 常见返回值（R1）

值 含义
0x01 卡处于空闲状态（刚上电）
0x00 操作成功（无错误）
0x05 命令非法+空闲（常见于CMD8）
0x04 命令非法
0xFF 卡未响应（无回应或错误）

2、 R2 响应（2 字节）—— CMD13 使用（发送卡状态）

第一字节是 R1 格式，第二字节是状态位。
Bit 含义
Bit 0 卡被锁定
Bit 1 写保护擦除失败
Bit 2 锁/解锁命令失败
Bit 3 命令 CRC 校验错误
Bit 4 非法命令
Bit 5 擦除参数错误
Bit 6 地址错误
Bit 7 参数错误

在 SPI 模式下：
主机发送命令后，会等待最多 8 个字节的 0xFF 来等响应；
正确响应值不会是 0xFF，而是前面列的响应码；
主机通常通过读取直到不是 0xFF 的第一个字节，即为响应开始。

3、 R3 响应（5 字节）—— 用于 CMD58（读取OCR寄存器）

字节1：R1 响应
字节2-5：OCR（操作条件寄存器），bit31 表示是否支持3.3V

示例响应：

响应：0x00 0xFF 0x80 0x00 0x00
→ OK OCR内容：支持3.2~3.4V
响应数据：0x00 0xFF 0x80 0x00 0x00
↑ ↑ ↑ ↑ ↑
R1 OCR[31:24] OCR[23:16] OCR[15:8] OCR[7:0]
第1字节：0x00

这是 R1 响应，表示无错误，卡已准备好。

0x01 表示卡仍在初始化中（Idle）
0x00 表示卡已完成初始化

第2~5字节：OCR 寄存器（4 字节）

OCR 全称 Operation Conditions Register（操作条件寄存器），格式如下（高位在前）：

Bit 31 ：卡是否为高容量（CCS）
Bit 30–28 ：保留
Bit 27–15 ：电压范围（常用的电压段）
Bit 14–8 ：保留
Bit 7–0 ：忙碌位/保留

现在我们解析 0xFF 0x80 0x00 0x00：
转换为二进制：

0xFF = 11111111
0x80 = 10000000
0x00 = 00000000
0x00 = 00000000

合并为 OCR 32位值（从 Bit31 开始）：

Bit 31 : 1 → 支持高容量（SDHC/SDXC）
Bit 30–28 : 111
Bit 27–24 : 1xxx
Bit 23–15 : x00000000
其余均为0

重点：Bit 23–15 是电压窗口

根据 SD 规范：
Bit 电压范围
20 2.7V - 2.8V
21 2.8V - 2.9V
22 2.9V - 3.0V
23 3.0V - 3.1V
24 3.1V - 3.2V
25 3.2V - 3.3V
26 3.3V - 3.4V
27 3.4V - 3.5V
28 3.5V - 3.6V

而你返回的是：
0xFF 0x80 … → 即 Bit 31–24 = 11111111 10000000
这表示：
Bit 31 = 1 → 是 SDHC/SDXC（高容量卡）
Bit 30–24（电压支持）中，从 Bit 27 到 Bit 20 全为 1 → 表示支持从 2.7V 到 3.6V 的电压范围
所以这张卡支持常见的 3.3V 电压 ?

4、 R7 响应（5 字节）—— 用于 CMD8（检查卡电压范围）

字节1：R1 响应字节2-5：回显 CMD8 的参数，主要是检查电压是否支持

示例响应：

发送 CMD8 参数：0x00 0x00 0x01 0xAA
响应：0x01 0x00 0x00 0x01 0xAA

发送 CMD8 参数：0x00 0x00 0x01 0xAA
→ 卡支持 2.7~3.6V，兼容 SDHC/SDXC

字节编号	内容	位段	说明
Byte 1	0x00	[39:32]	保留或高位地址（无用）
Byte 2	0x00	[31:24]	保留或地址（无用）
Byte 3	0x01	[23:16]	供电电压范围，0x01 表示支持 2.7V ~ 3.6V
Byte 4	0xAA	[15:8]	校验模式值（推荐固定为 0xAA）
CRC	必须有效	-	通常为 0x87（CMD8要求CRC校验）

响应：0x01 0x00 0x01 0xAA
↑ ↑ ↑ ↑
Idle OK 电压支持 模式回显

三、性能分析

接口差异：
原生 SDIO 模式：采用专用的 4 线或 8 线数据总线，最高数据传输速率能达到 312MB/s（UHS-II）。
SPI 模式：基于 SPI 协议，仅使用 4 根信号线（CLK、MOSI、MISO、CS），数据传输速率相对较低。

SPI 模式的速率限制：
理论上 SPI 模式的最高速率可达 50MHz（约 25MB/s），但实际应用中，受限于内核驱动和硬件性能，通常只能达到几 MB/s。
这就意味着，SDXC 卡的高速性能（如 U3 等级）在 SPI 模式下无法充分发挥。

四、其他相关链接

1、SPI协议详细总结附实例图文讲解通信过程

2、uboot下spi master和flash驱动开发

3、 Flash闪存储存原理以及NAND flash、NOR flash对比总结