概要

SD 卡作为一种通用的大容量存储介质，在嵌入式系统中被广泛应用于数据日志、固件存储、多媒体文件管理等场景。多数 SD 卡模块支持 SPI 模式通信，通过简单的 4 线接口即可与 STM32、Arduino 等主控芯片实现高速数据交互，相比 SDIO 模式具有硬件设计简单、兼容性强的优势。

一、SD 卡 SPI 模式硬件架构

1. 基本连接方式

SD 卡与主控芯片的 SPI 模式连接仅需 4 根信号线，典型电路如下：

关键连接注意事项：

SD 卡工作电压为 3.3V，需使用电平转换电路（如 74LVC245）连接 5V 主控芯片
信号线建议串联 100Ω 限流电阻，保护 SD 卡接口
电源端需添加 100nF 和 10μF 电容滤波，减少电源噪声
布线应短且直，尤其在高速通信时（>10MHz）

2. 支持的 SD 卡类型

SPI 模式兼容多种 SD 卡标准，但需注意不同类型的差异：

SD 卡：容量≤2GB，支持 SPI 模式
SDHC 卡：容量 2GB~32GB，采用 FAT32 文件系统，支持 SPI 模式
SDXC 卡：容量 32GB~2TB，采用 exFAT 文件系统，部分模块可能不支持
microSD 卡：通过适配器可与标准 SD 卡接口兼容，是嵌入式系统首选

二、SD 卡 SPI 模式通信协议

1. 通信基础

SD 卡 SPI 模式采用主从同步通信方式，具有以下特点：

由主控芯片产生 SCK 时钟信号，频率可在 100kHz~25MHz 范围内调整（初始化阶段需≤400kHz）
数据在 SCK 的上升沿从主控发送到 SD 卡，在 SCK 的下降沿从 SD 卡接收数据
所有命令和数据传输均以 CS 线拉低为前提，CS 线拉高时 SD 卡忽略 SPI 总线上的所有信号

2. 命令格式

SD 卡通过特定命令集进行操作，SPI 模式下的命令格式如下：

常用基础命令：

CMD0：复位卡，进入 IDLE 状态（0x40 00 00 00 00 95）
CMD1：初始化卡，检查卡是否准备好（0x41 00 00 00 00 FF）
CMD8：发送接口条件，用于 SDHC 卡识别（0x48 00 00 01 AA 87）
CMD16：设置块长度（默认 512 字节）（0x50 00 00 02 00 FF）
CMD17：读单块数据（0x51 + 32 位地址 + CRC）
CMD24：写单块数据（0x58 + 32 位地址 + CRC）
CMD55：应用命令前缀（0x77 00 00 00 00 FF）
ACMD41：SD 卡初始化（需先发送 CMD55）

3. 初始化流程

SD 卡在使用前必须经过初始化流程，特别是 SPI 模式：

三、数据读写操作实现

1. 单块读取操作

读取 SD 卡数据以块（默认 512 字节）为单位，流程如下：

// 从SD卡指定地址读取一个块（512字节）
// addr: 块地址（SDHC为扇区地址，单位512字节）
// buf: 接收缓冲区（需至少512字节）
// 返回值: 0=成功，非0=失败
uint8_t sd_read_block(uint32_t addr, uint8_t *buf) {
    uint8_t response;
    uint16_t timeout;
    
    // 1. 拉低CS，选中SD卡
    SD_CS_LOW();
    
    // 2. 发送读块命令CMD17 (0x51)
    spi_send_byte(0x51);                     // 命令字节
    spi_send_byte((addr >> 24) & 0xFF);      // 地址高8位
    spi_send_byte((addr >> 16) & 0xFF);      // 地址中8位
    spi_send_byte((addr >> 8) & 0xFF);       // 地址低8位
    spi_send_byte(addr & 0xFF);
    spi_send_byte(0xFF);                     // CRC（SPI模式可忽略）
    
    // 3. 等待响应（0x00表示成功）
    timeout = 0;
    do {
        response = spi_receive_byte();
        if (timeout++ > 0xFFFF) {
            SD_CS_HIGH();
            return 1; // 超时错误
        }
    } while (response != 0x00);
    
    // 4. 等待数据起始令牌(0xFE)
    timeout = 0;
    do {
        response = spi_receive_byte();
        if (timeout++ > 0xFFFF) {
            SD_CS_HIGH();
            return 2; // 无数据令牌错误
        }
    } while (response != 0xFE);
    
    // 5. 读取512字节数据
    for (uint16_t i = 0; i < 512; i++) {
        buf[i] = spi_receive_byte();
    }
    
    // 6. 读取2字节CRC（SPI模式可忽略）
    spi_receive_byte();
    spi_receive_byte();
    
    // 7. 拉高CS，结束读取
    SD_CS_HIGH();
    
    return 0; // 成功
}

2. 单块写入操作

写入操作同样以块为单位，且需要严格遵循时序：

// 向SD卡指定地址写入一个块（512字节）
// addr: 块地址
// buf: 待写入数据（必须512字节）
// 返回值: 0=成功，非0=失败
uint8_t sd_write_block(uint32_t addr, const uint8_t *buf) {
    uint8_t response;
    uint16_t timeout;
    
    // 1. 拉低CS，选中SD卡
    SD_CS_LOW();
    
    // 2. 发送写块命令CMD24 (0x58)
    spi_send_byte(0x58);                     // 命令字节
    spi_send_byte((addr >> 24) & 0xFF);      // 地址高8位
    spi_send_byte((addr >> 16) & 0xFF);      // 地址中8位
    spi_send_byte((addr >> 8) & 0xFF);       // 地址低8位
    spi_send_byte(addr & 0xFF);
    spi_send_byte(0xFF);                     // CRC
    
    // 3. 等待响应（0x00表示成功）
    timeout = 0;
    do {
        response = spi_receive_byte();
        if (timeout++ > 0xFFFF) {
            SD_CS_HIGH();
            return 1; // 超时错误
        }
    } while (response != 0x00);
    
    // 4. 发送数据起始令牌(0xFE)
    spi_send_byte(0xFE);
    
    // 5. 发送512字节数据
    for (uint16_t i = 0; i < 512; i++) {
        spi_send_byte(buf[i]);
    }
    
    // 6. 发送2字节伪CRC（SPI模式可忽略）
    spi_send_byte(0xFF);
    spi_send_byte(0xFF);
    
    // 7. 检查数据响应
    response = spi_receive_byte();
    if ((response & 0x1F) != 0x05) { // 0x05表示数据接受成功
        SD_CS_HIGH();
        return 2; // 写入失败
    }
    
    // 8. 等待写入完成
    timeout = 0;
    while (spi_receive_byte() != 0xFF) {
        if (timeout++ > 0xFFFF) {
            SD_CS_HIGH();
            return 3; // 写入超时
        }
    }
    
    // 9. 拉高CS，结束写入
    SD_CS_HIGH();
    
    return 0; // 成功
}

3. 多块读写操作

对于大数据量传输，可使用多块读写命令提高效率：

多块读：使用 CMD18 命令，持续接收数据直到发送 CMD12 停止命令
多块写：使用 CMD25 命令，发送数据直到发送停止令牌 (0xFD)

四、文件系统与上层应用

SD 卡通常采用 FAT 文件系统（FAT16/FAT32/exFAT），嵌入式系统中可通过以下库简化开发：

1. 常用文件系统库

FatFs：开源的 FAT 文件系统模块，支持 SPI 模式 SD 卡，体积小、移植性好
SD 库：Arduino 平台专用，封装了底层 SPI 通信和 FatFs 文件系统
STM32Cube 库：ST 官方提供的 SD 卡驱动，支持 SPI 和 SDIO 模式

2. 文件操作示例（基于 FatFs）

#include "ff.h"
#include "diskio.h"

FATFS fs;         // 文件系统对象
FIL file;         // 文件对象
FRESULT fr;       // 操作结果
UINT bw, br;      // 读写字节数

// 初始化文件系统并创建文件
void sd_file_demo(void) {
    // 1. 挂载文件系统
    fr = f_mount(&fs, "", 1);
    if (fr != FR_OK) {
        // 挂载失败处理
        return;
    }
    
    // 2. 创建并打开文件（如果不存在则创建）
    fr = f_open(&file, "data.log", FA_WRITE | FA_CREATE_ALWAYS);
    if (fr != FR_OK) {
        // 打开失败处理
        f_mount(NULL, "", 1);
        return;
    }
    
    // 3. 向文件写入数据
    const char *text = "Hello, SD Card!";
    fr = f_write(&file, text, strlen(text), &bw);
    if (fr != FR_OK || bw != strlen(text)) {
        // 写入失败处理
    }
    
    // 4. 关闭文件
    f_close(&file);
    
    // 5. 打开文件读取内容
    fr = f_open(&file, "data.log", FA_READ);
    if (fr == FR_OK) {
        char buffer[100];
        fr = f_read(&file, buffer, sizeof(buffer)-1, &br);
        if (fr == FR_OK) {
            buffer[br] = '\0'; // 添加字符串结束符
            // 处理读取到的数据
        }
        f_close(&file);
    }
    
    // 6. 卸载文件系统
    f_mount(NULL, "", 1);
}

五、性能优化与可靠性设计

1. 速率优化

初始化完成后可提高 SPI 时钟频率（最高 25MHz），提高传输速度
使用 DMA 方式传输数据，减少 CPU 占用（尤其在 STM32 等高端 MCU 上）
采用多块读写命令，减少命令交互开销

2. 可靠性保障

电源管理：确保 3.3V 电源稳定，波动不超过 ±0.3V
数据校验：关键数据可添加校验和，检测传输错误
异常处理：实现命令超时、卡拔出检测和自动重连机制
磨损均衡：避免频繁写入同一区块，延长 SD 卡使用寿命

3. 低功耗设计

空闲时通过 CMD50 命令使 SD 卡进入休眠模式
降低 SPI 时钟频率或关闭 SPI 外设，减少功耗
采用中断方式而非轮询，减少 CPU 活动时间

六、常见问题与解决方案

总结

SD 卡的 SPI 模式通信为嵌入式系统提供了便捷的大容量存储解决方案，其核心优势在于：

硬件接口简单，仅需 4 根线即可实现通信
兼容性强，支持多种 SD 卡类型和主控芯片
传输速度适中，满足大多数嵌入式应用需求
配合文件系统库，可实现复杂的文件管理功能