2. SD卡协议基础：物理层、命令格式、响应格式、SPI模式与SD模式的区别

SD卡协议是嵌入式系统中广泛使用的存储接口协议。理解其物理层特性、命令/响应格式以及两种工作模式（SPI与SD）的差异，是后续在QEMU中模拟SD卡控制器的基础。本节将从物理层信号定义开始，逐步深入到协议层的交互细节。

2.1 物理层信号与总线拓扑

SD卡物理接口包含电源、地、时钟和数据线。根据工作模式不同，使用的信号线数量有所差异。下表列出了SD卡物理接口的关键信号及其在两种模式下的映射关系：

下图展示了SD卡在SD模式下的物理连接拓扑，包含主机控制器、时钟线、命令线和4条数据线：

2.2 命令格式与分类

SD卡协议中，所有通信由主机发起。主机通过CMD线发送48位命令帧，卡在接收到命令后返回响应。命令帧的格式固定，由6个字节组成：

命令帧格式（48位）：
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
| 位47–46 | 位45–40 | 位39–8  | 位7–1   | 位0     |
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
| 起始位  | 传输位  | 命令索引 | 参数    | CRC7   | 结束位 |
| 01     | 1      | 6位     | 32位    | 7位    | 1      |
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+

命令索引（CMD0–CMD63）定义了操作类型。下表列出了SD卡初始化阶段最常用的基本命令：

2.3 响应格式与类型

SD卡协议定义了多种响应类型（R1–R7），每种响应具有不同的长度和含义。响应通过CMD线由卡发送给主机。最常见的响应类型如下：

R1响应是最常用的响应格式，其48位帧结构与命令帧类似，但传输位为0（表示卡到主机方向）：

R1响应格式（48位）：
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
| 位47–46 | 位45–40 | 位39–8  | 位7–1   | 位0     |
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
| 起始位  | 传输位  | 保留    | 卡状态  | CRC7   | 结束位 |
| 01     | 0      | 全0     | 32位    | 7位    | 1      |
+--------+--------+--------+--------+--------+--------+

卡状态寄存器（32位）中的关键标志位包括：

• 位31：IDLE_STATE — 卡处于空闲状态
• 位30：ERASE_RESET — 擦除复位
• 位29：ILLEGAL_COMMAND — 非法命令
• 位28：COM_CRC_ERROR — 命令CRC错误
• 位27：ERASE_SEQ_ERROR — 擦除序列错误
• 位26：ADDRESS_ERROR — 地址错误
• 位25：PARAMETER_ERROR — 参数错误

2.4 SPI模式与SD模式的核心区别

SPI模式和SD模式是SD卡支持的两种通信协议。SPI模式通过标准SPI接口访问SD卡，而SD模式需要专用的SD主机控制器。下表从多个维度对比两种模式：

下图展示了SPI模式下SD卡的信号连接方式，相比SD模式，SPI模式减少了数据线数量并增加了片选信号：

2.5 初始化流程对比

SD卡上电后需要经过初始化流程才能进入数据传输状态。两种模式的初始化流程存在显著差异：

SD模式初始化流程：

1. 上电后卡默认进入空闲状态（IDLE）
2. 主机发送CMD0（GO_IDLE_STATE）复位卡
3. 主机发送CMD8（SEND_IF_COND）检查接口条件（电压范围）
4. 主机发送ACMD41（SD_SEND_OP_COND）查询卡工作电压并启动初始化
5. 卡返回OCR寄存器，指示电压兼容性和初始化完成状态
6. 主机发送CMD2（ALL_SEND_CID）获取卡识别号
7. 主机发送CMD3（SEND_RELATIVE_ADDR）分配相对地址（RCA）
8. 主机发送CMD7（SELECT_DESELECT_CARD）选中卡，进入传输状态

SPI模式初始化流程：

1. 上电后卡默认进入空闲状态
2. 主机发送至少74个时钟周期的同步序列
3. 主机发送CMD0 + 参数0x00000000 + 有效CRC（0x95）进入SPI模式
4. 主机发送CMD8检查接口条件（SPI模式下必须支持）
5. 主机发送CMD1（或ACMD41）查询OCR并等待初始化完成
6. 初始化完成后，卡进入数据传输状态（Data Transfer State）

2.6 数据块传输机制

无论SPI模式还是SD模式，数据块传输都遵循类似的结构。以读取单块数据（CMD17）为例：

读单块操作时序（SPI模式）：
主机发送: CMD17 + 块地址 + CRC
卡响应:   R1响应（0x00表示成功）
卡发送:   数据起始令牌（0xFE）
卡发送:   512字节数据块
卡发送:   2字节CRC16校验

数据起始令牌（0xFE）是SPI模式下数据块传输的同步标志。SD模式则使用不同的数据线协议，通过DAT0线上的数据有效信号来指示数据开始。

下表总结了数据块传输的关键参数：