SDNAND的SDIO的通信原理

SDIO（Secure Digital Input/Output）是一种基于 SD 卡协议的通信接口，专为可扩展设备设计，除存储功能外还支持外部设备（如 Wi-Fi、蓝牙模块）的连接。以下从协议架构、通信流程、数据传输模式等方面详细解析其通信原理：

一、协议架构与物理层

1. 物理层接口

• 引脚定义（标准 SD 卡）：

• CLK：时钟线，由主机控制（频率范围：400kHz~208MHz）。

• CMD：命令 / 响应线（双向），用于发送命令和接收响应。

• DAT[3:0]：4 条数据线（双向），支持 1 位或 4 位并行传输。

• VDD/VSS：电源和地。

• 电压标准：

• 3.3V（传统 SD 卡）、1.8V（高速 SD 卡）或混合电压（支持两种电压）。

2. 通信模式

• SPI 模式：简化的四线协议（CLK、MOSI、MISO、CS），兼容性强但速度较低。

• SD 模式：专用高速协议，支持 1 位 / 4 位 / 8 位数据传输，需特定初始化流程。

二、通信基本流程

1. 初始化阶段

主机                          从设备（SD卡/SDIO设备）
|                             |
|-- 发送≥74个CLK周期 -->      | （复位设备，进入IDLE状态）
|                             |
|-- 发送CMD0 (GO_IDLE_STATE) -->| （切换至SPI或SD模式）
|                             |<-- 响应R1 (IDLE位=1)
|-- 发送CMD8 (SEND_IF_COND) -->| （检查电压支持和版本）
|                             |<-- 响应R7 (电压范围+电气特性)
|-- 循环发送CMD55+ACMD41 -->  | （初始化卡，等待退出IDLE状态）
|                             |<-- 响应R1 (IDLE位=0表示就绪)
|-- 发送CMD2 (ALL_SEND_CID) -->| （获取卡识别码）
|                             |<-- 响应R2 (CID数据块)
|-- 发送CMD3 (SEND_REL_ADDR) -->| （分配相对地址RCA）
|                             |<-- 响应R1 (RCA值)

2. 数据传输阶段

读操作（CMD17）

主机                          从设备
|                             |
|-- 发送CMD17 (READ_SINGLE_BLOCK) -->|
|  参数：块地址                |
|                             |<-- 响应R1 (无错误)
|                             |
|                             |<-- 发送数据令牌 (0xFE)
|                             |<-- 发送数据块 (512字节)
|                             |<-- 发送CRC校验 (16位)
|-- 发送ACK (通过CLK) -->      |

写操作（CMD24）

主机                          从设备
|                             |
|-- 发送CMD24 (WRITE_SINGLE_BLOCK) -->|
|  参数：块地址                |
|                             |<-- 响应R1 (无错误)
|-- 发送数据令牌 (0xFE) -->    |
|-- 发送数据块 (512字节) -->   |
|-- 发送CRC校验 (16位) -->    |
|                             |<-- 响应数据响应令牌
|                             |  (0x05=成功，其他=错误)
|                             |  (随后进入写状态，直到忙结束)

三、命令与响应类型

1. 命令格式

所有命令均由主机发送，格式为：

• 起始位：0（固定）。

• 传输位：1（固定）。

• 命令索引：6 位（如 CMD0=0x00，CMD17=0x11）。

• 参数：32 位（如块地址、传输模式等）。

• CRC 校验：7 位（初始化阶段后可禁用）。

• 结束位：1（固定）。

2. 响应类型

• R1：普通响应（1 字节状态码）。

• R1b：带忙信号的 R1（响应后设备进入忙状态）。

• R2：CID/CID 响应（16 字节数据块）。

• R3：OCR 寄存器响应（32 位寄存器值）。

• R7：电压范围响应（用于 CMD8）。

四、数据传输模式

1. 传输速率等级

2. 数据令牌与传输协议

• 数据令牌：标识数据传输的开始（如 0xFE 表示数据块开始）。

• 块传输：固定 512 字节 / 块，支持多块连续传输（CMD18/CMD25）。

• CRC 校验：每块数据后附加 16 位 CRC，确保数据完整性。

五、SDIO 与 SD 卡的区别

六、典型应用场景

• 大容量存储：SD 卡作为设备的外部存储（如相机、记录仪）。

• 功能扩展：

• Wi-Fi 模块（如 ESP8266 的 SDIO 接口）。

• 蓝牙适配器（如 Broadcom BCM4330）。

• GPS 接收器（如 u-blox NEO-6M）。

• 工业控制：通过 SDIO 连接外设，实现数据采集与控制。

七、开发注意事项

1. 硬件设计：

• 高速模式下需严格控制走线长度（如 CLK 与 DAT 线误差 < 5mil）。

• 添加终端电阻（33Ω）抑制信号反射。

2. 软件驱动：

• 实现完整的初始化流程（CMD0~CMD55）。

• 处理设备响应超时和错误恢复（如 CRC 校验失败）。

3. 兼容性：

• 确认 SDIO 设备支持的协议版本（如 SDIO 2.0 vs 3.0）。

• 注意电压匹配（3.3V vs 1.8V）。

总结

SDIO 通过分层协议设计和灵活的数据传输模式，实现了高速、可靠的设备通信。其核心在于命令 - 响应机制和多线并行传输能力，既支持大容量存储，也支持功能扩展设备。理解 SDIO 通信原理对开发嵌入式系统、物联网设备及消费电子产品至关重要。

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