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SD 卡 SPI 模式：用一个 SPI 口读写 SD/TF 卡 ​

更新时间：2026-09-12。本文是「集成电路大类 · 芯片设计」**入门层（beginner）**数字逻辑基础第一百零二篇。SD/TF 卡原生走 SDIO，但规范留了一条「退路」：上电时用特定序列把它切到 SPI 兼容模式，于是任何带 SPI 主机的器件都能读它。它比直接操作 SPI NOR Flash 复杂得多，关键在初始化握手和命令/令牌协议。

本文要回答的问题 ​

  • 一张 SDIO 卡怎么被「哄」进 SPI 模式？为什么要先发 74 个时钟？
  • CMD0/CMD8/ACMD41 各做什么，怎么判断卡的版本和容量类型？
  • 读一个 512 字节块时，卡回的 R1、起始 token、数据、CRC 怎么排列？
  • 写块后怎么知道卡还在「忙」？SDHC 的地址为什么和小卡不一样？
  • 为什么初始化必须低速、之后才能提速？

一、进入 SPI 模式：上电握手 ​

卡上电时根据上电后第一条命令的电平决定用 SD 模式还是 SPI 模式。标准进入流程：

  1. 供电与时钟：插入后至少等 1ms，在 /CS 拉高下先给 ≥74 个时钟周期（让卡内部上电、初始化）；SPI 用模式 0，初始化速率 100~400kHz；
  2. CMD0（0x40，参数 0）：拉低 /CS 发软件复位命令。这一条必须带正确的 CRC（0x95）使卡识别为合法 SPI 复位；进入 SPI 模式后数据阶段默认不再校验 CRC（可用 CMD59 关）；
  3. CMD8（0x48）：询问电压范围，判断是 V2+ 卡还是老 V1 卡；
  4. ACMD41（先发 CMD55 再发 0x41，参数含 HCS 位）：发起初始化并询问是否 SDHC/SDXC（高容量），反复发直到 R1 的 idle(busy) 位清零（卡可能要几百 ms）；
  5. 成功后卡处于 SPI 待命态，可把时钟提到更高（普通卡 ≤25MHz、更高规格按手册）。

这个序列是「状态+重试」的典型控制器状态机，任何一步应答不对就要超时重来。

二、命令与应答格式 ​

  • 命令：6 字节 = 1 字节命令码（0x40+命令号，如 CMD17=0x51）+ 4 字节参数 + 1 字节 CRC（CMD0/CMD8 需正确，其余可填 0x01/0xFF）；
  • R1 应答：1 字节，bit0=idle(1 表示还没就绪)、其它位是复位/参数/地址错误等；发完命令后持续读 MISO，直到读到的字节最高位为 0 即为 R1（之前是 0xFF 填充）；
  • ACMD 类命令要先发 CMD55 前缀。

三、读单块/多块 ​

寻址以 512 字节块为单位（SDHC/SDXC 直接用块号；老的 SDSC 用字节地址，驱动里要区分 CCS 位）。读单块 CMD17（0x51），卡响应序列：

bash
R1(1B) → 若干 0xFF → 起始 token 0xFE → 512B 数据 → CRC(2B) → 0xFF
  • 主机发命令、读到合法 R1 后，继续读直到出现数据起始令牌 0xFE；
  • 随后正好收 512 字节和 2 字节 CRC（SPI 模式多忽略）；
  • **CMD18（0x52）**连续读多块，每块都带 token 和 CRC，直到主机发 **CMD12（0x4C）**停止。

实现上用一个接收状态机：发命令→等 R1→等 token→收满 512B→（多块则循环），全程设超时，因为卡未插/接触不良时会一直回 0xFF。

四、写块与忙检测 ​

写单块 CMD24（0x58）/多块 CMD25（0x59）：

  1. 发命令、读 R1；
  2. 主机发写令牌：单块 0xFE（多块每块前 0xFC，最后发 0xFD 结束）；
  3. 紧接着发 512 字节 + 2 字节伪 CRC（0xFF 0xFF）；
  4. 卡返回一个数据响应令牌（如 xxx0_0101 表示接受），然后进入编程忙状态：把 MISO（DAT0）拉低。

主机轮询 MISO：读到 0x00（或非 0xFF）表示忙、重新读到 0xFF 表示完成，期间不能发下一块。擦除、多块写尤其要按这个「响应令牌+忙等待」协议处理，并加写超时。

五、工程要点 ​

  • 初始化必须慢：先 100~400kHz 完成 CMD0/8/ACMD41，再切到高速；/CS 发命令时要保持拉低，命令之间按要求给时钟；
  • 上拉与供电：SPI 模式 MISO/MOSI/CLK/CS 需要上拉以得到 0xFF 填充，TF 卡座常带检测开关；电平多为 3.3V，不能直接喂 5V SPI（用电平转换）；
  • 文件系统：裸块读写之上由 FAT32/exFAT 等文件系统组织文件，驱动只需提供「初始化、读块、写块」三个原语；
  • SPI 模式比 SDIO 慢、CPU 占用高，追求性能用专用 SDIO 控制器或 DMA搬运，但它最大的价值是通用、只要有 SPI 就能用。

与现有篇目的衔接 ​

总结 ​

一句话总结：SD/TF 卡原生走 SDIO，但上电时可用特定握手把它切进兼容的 SPI 模式，使任何只有普通 SPI 主机的 MCU/FPGA 都能读写；进入流程是在片选拉高下先供至少 74 个时钟让卡上电、以 100~400kHz 低速发带正确 CRC 的 CMD0 软复位（进 SPI 模式后数据阶段默认不再校验 CRC）、用 CMD8 识别版本与电压、再以 CMD55 为前缀反复发 ACMD41 直到 R1 的 idle 位清零并据此判断是否 SDHC/SDXC，之后才能提速；命令为 6 字节（0x40+命令号、4 字节参数、CRC），发完持续读 MISO 直到收到最高位为 0 的 R1 应答；读写以 512 字节块为单位，高容量卡用块号而老卡用字节地址，读单块 CMD17 的应答是 R1、填充、起始令牌 0xFE、512 字节数据和 2 字节 CRC，CMD18 连续读到 CMD12 停止，写单块 CMD24/多块 CMD25 则在 R1 后发 0xFC/0xFE 写令牌、512 字节和伪 CRC，再依据卡返回的数据响应令牌并轮询被拉低的 MISO 判断编程忙、重新读到 0xFF 才算完成；实现是带超时的接收状态机，工程上要先低速初始化再提速、加好上拉和电平转换，文件系统只建立在初始化/读块/写块三个原语之上；SPI 模式比 SDIO 慢但极其通用。