SDカードの初期化 ACMD41 、OCR確認 CMD58

SPI通信で制御できるSDカードモジュールを使ってみました。
5Vで動作させるので別途電源が必要です。レベル変換回路を搭載しているのでmicro:bitとのSPI通信は直接接続できます。5V電源とmicro:bitとSPI接続するだけです。そのため、接続図などは省きました。
※thonny-microbitのMicroPythonを使っています。

外観・接続

使用したSDカードモジュールの外観写真です。

実体接続した写真です。

テストに使用したSDカードです。以下のSD 1GB（以降では標準SD、MMCと記載することがあります）、SDHC 16GBを使いました。

SDカードの初期化

素人なので詳しくは分かりません。そのため、分かった範囲で記載します。※詳細は記事末に列挙した参考サイトなどを参照して下さい。

SDCカードはMMC(Multi-Media Card）の上位の兌換品のようです。
SDCカードの初期化は①CMD0>CMD8>CMD55>ADCMD41で行います。CMD8でエラーになれば②CMD0>CMD1で行います。②は2GB以下の標準SDカード（MMC）の初期化のような感じです。

初期化で使うコマンド

コマンド         概略
CMD0    0x40     #GO_IDLE_STATE CRC必要 リセット
CMD8    0x48     #SEND_IF_COND CRC必要 カードの世代、動作電圧確認
CMD55   0x77     #APP_CMD 次コマンドはAPP_CMD
ACMD41  0x69     #SD_APP_OP_COND 初期化　SDHCのサポート
CMD1    0x41     #SEND_OP_COND 初期化　MMC

コマンドの送信

送信は、コマンド(1) + データ(4) + CRC|0x01(1)の6バイトで送ります。
CRCは循環冗長チェックと言うそうです。計算式がありますが素人なので省略します。
CMD0とCMD8には’CRC|0x01’の正値が必要です。他は適当（奇数）で良いようです。

コマンドの形式は8bitで上位2ビット01(0b01000000)+コマンド番号になっています。
例えばCMD55なら

>>> hex(0x40|55)
'0x77'

になります。

CMD(1) + data(4) + CRC|0x01(1)の送信例として、
コマンドがcmd55、データが0x00 0x00 0x01 0xAA,「CRC|0x01」が0x87の場合、
spi_cmd(0x77,0x00,0x00,0x01,0xAA,0x87)
の形式で送信できるように以下の関数を作成しました。

def spi_cmd(cmd,da1,da2,da3,da4,crc):
buf=bytearray(6)
buf[0]=cmd
buf[1]=da1
buf[2]=da2
buf[3]=da3
buf[4]=da4
buf[5]=crc
spi.write(buf)
return

レスポンス

コマンドを送信すると状態が返ります。大半はR1形式で1バイトが戻ります。正常な場合は0x01か0x00です。

※Physical Layer Simplified Specification Version 2.00から引用

CMD8のレスポンスはR7形式の5バイトが返ります。エラーの確認は上位部のR1で判別します。

※Physical Layer Simplified Specification Version 2.00から引用

CMD8でエラーの場合はCMD1で初期化します。
一連の処理で初期化できれば良かったのですがmicro:bitでメモリー関連のエラーが出てしまうので、諦めてACMD41を使う場合とCMD1を使う場合を個別処理にしました。
具体的にはSDHC 16GBの初期化はACMD41を使って行い、標準SD 1GBの初期化はCMD1を別々に行うことにしました。

ACMD41　SD_APP_OP_COND

ACMD41でSDHCカードの初期化を行います。
CMD0>CMD8>CMD55>ADCMD41の順番でコマンドを送ります。
CMD0を送る前にシーケンスの初期化のためにダミークロックを74回以上送る必要があるそうです。実際には80回送るようにしました。ダミークロック8回は「spi.write(b’\xff’)」で良いようです。
micro:bitのpin8をSPIのCS（チップセレクト）用にしました。

スクリプト

以下にスクリプトを作成してみました。※動作を確認するための実働には関係しない表示（print）が多く入ってます。

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
from microbit import *
# ------------------------INIT (SDC 2GB<)---- CMD0>>CMD8>>CMD55>>ACMD41
import sys
# micro:bit pin8 for CS active(0)
CS_pin=pin8         #　micro:bitの8pinでCSを制御
# command
cmd0=0x40    #GO_IDLE_STATE   （コマンド番号｜0x40）の値
cmd8=0x48    #SEND_IF_COND
cmd55=0x77   #APP_CMD 
acmd41=0x69  #SD_APP_OP_COND 
# card send data                コマンド送信　6バイト
def spi_cmd(cmd,da1,da2,da3,da4,crc):
    buf=bytearray(6)
    buf[0]=cmd
    buf[1]=da1
    buf[2]=da2
    buf[3]=da3
    buf[4]=da4
    buf[5]=crc
    spi.write(buf)
    return buf
# response                      応答（バイト数）
def spi_res(num=1):   
    response=spi.read(num)
    print(response)
    return response
# dummy 8clk                    ダミークロック
def spi_ff():
    spi.write(b'\xff')
# chip select active(0)         チップセレクト(0)がアクティブ
def CS(dat):
    CS_pin.write_digital(dat)
# SPI init bps=100kHz           100～400KHz
spi.init(baudrate=100000, bits=8, mode=0, sclk=pin13, mosi=pin15, miso=pin14)
sleep(10)

## SDC INIT START           
print('CLK>80')
CS(1)               # CS=H ダミークロックを80個送信
for i in range(10):
    spi_ff()
CS(0)               #カード選択
spi_ff()
# ---------------------------------------------------------- CMD00
print('CMD0')
spi_cmd(cmd0,0x00,0x00,0x00,0x00,0x95) 
while True:
    spi_ff()    # CMD>>0xFF out>>read response
    res=spi_res()
    if res== b'\x01': # 正確には0x1fならダミークロック80回へ戻る
        print(res,'cmd0 OK x01')    # 0x01　返りでOK
        break
# ---------------------------------------------------------- CMD08
print('CMD8')
spi_ff()
# 3.3V動作、推奨チェックパターン'0xaa'なら（CRC0ｘ86|0x01）の0x87　らしい
spi_cmd(cmd8,0x00,0x00,0x01,0xAA,0x87)　
spi_ff() 
# R7(5bytes)=R1+4bytes
res=spi_res(5)          # R7形式で5バイトの応答
print('R7-5bytes >>',res)
if (res[0]== 0x01) or (res[0]== 0x00):
    print('CMD8 0x01 or 0x00 >>> ')     # エラーなし　CMD55へ続行
else:
    print('SDC-CARD ERROR >>> MMC ')    #　MMC（CMD01での初期化へ）
    sys.exit()

while True:
# ---------------------------------------------------------- CMD55 APP_CMD
    print('CMD55')
    spi_ff()
    spi_cmd(cmd55,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01)　# CMD55を送信（次CMDはAPP）
    spi_ff()
    res=spi_res()

    if res == b'\x01':             # エラーなし　ACMD41へ続行
        print('CMD55 0x01 >>>')
    else:
        print('CMD55 ERROR EXIT')  # エラー中止
        sys.exit()
        
    # ---------------------------------------------------------- acmd41
    print('ACMD41')
    spi_ff()
    # SDHCをサポートしていることを示すためにビット30を1に設定 >0x40
    spi_cmd(acmd41,0x40,0x00,0x00,0x00,0x01)
    spi_ff()
    res=spi_res(1)
    if res == b'\x01':
        print('ACMD41 0x01 RETRY', res) # IDLE > CMD55から再試行
    if res == b'\x00':
        print('ACMD41 0x00 OK', res)    # エラーなし　初期化　了
        break
        #CS(1)
        #spi_ff()       
#END
spi_ff()
CS(1)
spi_ff()

実行結果

実行結果です。※Thonnyのshell枠に表示されます。
SDカードモジュールのソケットにSDHC 16GBをさして実行しました。

>>> %Run 220113_sd_b01_acmd41_init.py
CLK>80                          #　ダミークロック80回開始
CMD0
b'\x01'                         #　CMD　返り0x01OK
b'\x01' cmd0 OK x01
CMD8
b'\x01\x00\x00\x01\xaa'         #　CM8　返り5バイト　OK
R7-5bytes >> b'\x01\x00\x00\x01\xaa'　#　CM8のR1　0x01でOK
CMD8 0x01 or 0x00 >>> 
CMD55
b'\x01'                         #　CM55の返り0x01でOK
CMD55 0x01 >>>
ACMD41
b'\x01'                         #　ACMD41の返り0x01　リトライ
ACMD41 0x01 RETRY b'\x01'
CMD55
b'\x01'                         #　CM55の返り0x01でOK
CMD55 0x01 >>>
ACMD41
b'\x00'                         #　ACMD41の返り0x00でOK　初期化了
ACMD41 0x00 OK b'\x00'
>>> 

ちなみに標準SD 1GBにして実行すると、以下のようにCMD8でエラーになります。別途、CDM1で初期化します。

>>> %Run 220113_sd_b01_acmd41_init.py
CLK>80
CMD0
b'\x01'
b'\x01' cmd0 OK x01
CMD8
b'\xff\xff\xff\xff\xfe'
R7-5bytes >> b'\xff\xff\xff\xff\xfe'
SDC-CARD ERROR >>> MMC 

CDM58　READ_OCR

CMD58はOCR（動作条件レジスタ）を読み取ります。レスポンスは5バイトです。下のR3フォーマットになります。

※Physical Layer Simplified Specification Version 2.00から引用

OCRレジスタのビット15～31の内容は以下になります。

※Physical Layer Simplified Specification Version 2.00から引用

ビット15～23はサポートされている電圧です。2.7～3.6Vなら0xff/0x80にあたります。
ビット31はカードが電源投入ルーチン（初期化）を終了なら’1’になります。
ビット30はカード容量を示し、初期化後のみ有効でありSDHCやSSCXCなら’1’になります。

先のSDHC 16GBカードの場合、初期化後はOCRレジスタの4バイトは 0xC0/0x00/0xff/0x80 になります。

スクリプト

CMD58、OCR（動作条件レジスタ）をだけ実行するスクリプトを以下のようにしました。
※先と同じ関数部分は省略して記載しています。

# SPI init bps=100kHz
spi.init(baudrate=100000, bits=8, mode=0, sclk=pin13, mosi=pin15, miso=pin14)
sleep(10)
# command
cmd58=0x7A                  # READ_OCR
# SDCの初期化
print('START CLK>80')
CS(1)                       # CS=Hでダミークロックを80個送信
for i in range(10):
    spi_ff()
CS(0)                       #カード選択
spi_ff()
# ---------------------------------------------  CMD58 OCR
print('CMD58 ***')
spi_ff()
spi_cmd(cmd58,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01)
spi_ff() 
# R3 5bytes (R1+OCR_4bytes)             # R3 5バイト戻る
res=spi_res(5)
if (res[0]== 0x01) or (res[0]== 0x00):      # R1　エラーチェック
    print('cmd58 >>>')
    print('R1(1byte)+OCR(4bytes)=',res) # R3 5バイト戻値の表示
        
else:
    print('CMD58 ERROR EXIT')   # エラー　終了
    sys.exit()
#END
spi_ff()
CS(1)

実行結果

R3の値はb’\x00\xc0\xff\x80\x00’になりました。エラーなし、初期化済（power up=’1’）、SDHCカード（CCS=’1’）、2.7～3.6Vの電源を示しています。

>>> %Run 220114_sd_b01_cmd58_ocr.py
START CLK>80
CMD58 ***
cmd58 >>>
R1(1byte)+OCR(4bytes)= b'\x00\xc0\xff\x80\x00'
>>> 

ちなみにACMD41で初期化していない（パソコンでフォーマットした後）の場合、
CMD58を実行するとR3の値はb’\x00\x00\x00\x00\x00’になりました。

>>> %Run 220114_sd_b01_cmd58_ocr.py
START CLK>80
CMD58 ***
cmd58 >>>
R1(1byte)+OCR(4bytes)= b'\x00\x00\x00\x00\x00'

また、ACMD41で初期化していないカードでCMD0を実行するとのR3の値は
b’\x01\x00\xff\x80\x00’になりました。アイドル状態、サポート電圧のビットだけが変化しました。
初期化が終われば、カード種類（容量）のビット30と初期化済みのビット31が’1’になるようです。

>>> %Run 220113_sd_b01_test01.py
CLK>80
CMD0
b'\x01'
b'\x01' cmd0 OK x01

>>> %Run 220114_sd_b01_cmd58_ocr.py
START CLK>80
CMD58 ***
cmd58 >>>
R1(1byte)+OCR(4bytes)= b'\x01\x00\xff\x80\x00'
>>> 

まとめ

micro:bitでSDカードモジュールを使って、SDHCカードのACMD41コマンドによる初期化ができたと思います。また、CMD58でOCRレジスタ情報を確認できました。次回はCMD1を使った通常SDカードの初期化を記載したいと思います。

※参考にしたサイト
AVRCチュートリアル「http://www.rjhcoding.com/avrc-tutorials-home.php」
PICを使ってSDカードを操作「http://bitcraft.web.fc2.com/embedded/microchip/microchip.html#sdhcinit」
A33FでMicroSDカードにアクセスしてみる「http://www.robotsfx.com/robot/robohow/RoboHow91/RoboHow91.html」