如何优化SDIO协议的性能？

1、SDIO概述

在介绍SDIO接口之前先了解一下MMC、SD卡、SDIO等背景知识，如下图：

1. MMC(Multi Media Card)：即多媒体卡，它是一种非易失性存储器件，体积小巧(24mm*32mm*1.4mm)，容量大，耗电量低，传输速度快，主要应用于消费类电子产品中；
2. SD(Secure Digital Memory Card)：即安全数码卡，它是在MMC卡的基础上发展而来，并增加两个主要特色：SD卡增加了数据的安全访问，可以设定对存储数据的访问权限，防止数据被他人复制；SD相比2.11版的MMC卡传输速度更快；SD卡向前兼容MMC卡，所有支持SD卡的设备也支持MMC卡；
3. SDIO：在SD标准上定义的一种外设接口，和SD可规范的唯一区别是增加了低速标准。SDIO卡只需要使用SPI或1位SD传输模式支持低速模式，低速卡的应用目标是以最小的硬件开销支持低速IO能力；目前常见的SDIO外围有：WIFI card(无线网络卡)、CMOS sensor card、GPS card、Bluetooth card等。

注：多媒体卡协会网站 www.mmca.org，SD卡协会网站 www.sdcard.org

2、SD标准简介

SD 标准使制造商能够提供高性能产品，以增强每天听音乐、录制视频、拍照、保存数据和使用手机的数百万人的体验。

作为行业标准，SD 标准被用于便携式存储行业的多个细分市场，包括手机、数码相机、MP3 播放器、个人电脑、平板电脑、打印机、汽车导航系统、电子书和许多其他消费电子设备。

2.1、外形尺寸

SD卡有三种外形尺寸；全尺寸、miniSD 和 microSD。microSD 取代了 miniSD，因此市场上更常见的两种外形尺寸如下表所示。

1. 传统的SD存储卡只有一排引脚，包括一个3.3V电源VDD，用于默认速度、高速和 UHS-I总线接口模式。全尺寸卡有9个针脚（两个VSS），microSD卡有8个针脚（一个 VSS）。
2. 更快的总线传输速度卡在第二排具有新的引脚布局，以支持UHS-II、UHS-III和SD Express传输速度。1.8V VDD包含在第二排引脚中。所有UHS-II、UHS-III和SD Express卡都需要3.3V 和 1.8V两种电源电压。

2.2、容量标准

1. SD标准：使用FAT12和16文件系统的高达2GB SD存储
2. SDHC标准：超过2GB-32GB使用FAT32文件系统的SDHC存储卡
3. SDXC标准：超过32GB-2TB使用exFAT文件系统的SDXC存储卡
4. SDUC标准：超过2TB-128TB使用exFAT文件系统的SDUC存储卡

2.3、速度标准

2.3.1、Class标准

Class是早期的通用速度等级标准，Class等级越高传输速度越快，目前Class 10级别最常见，对应的速度标准如下：

1. Class 0：包括低于Class 2和未标注Speed Class的情况。
2. Class 2：能满足观看普通MPEG4 MPEG2 的电影、SDTV、数码摄像机拍摄。
3. Class 4：可以流畅播放高清电视（HDTV），数码相机连拍等需求。　
4. Class 6：满足单反相机连拍和专业设备的使用要求。
5. Class 10：全高清电视的录制和播放。

Class标准和其对应的通信速度如下：

2.3.2、UHS标准

UHS是全新的总线模式，意为Ultra High Speed，它在存储卡表面以“I”或“II”表示。相较于之前常规的总线模式最高仅到达25MB/s的速度，目前最高接口带宽可达312MB/s，若采用不支持UHS-I/UHS-II的设备可使用卡但无法发挥最快的速度。

UHS-I的写入最高 95MB/s，读取最高104MB/s，保证最低传输速度为10MB/s；UHS-Ⅱ的写入最高280MB/s，读取最高312MB/s，保证最低传输速度为30MB/s。“U1”和“U3”代表UHS接口规范下的写入速度标准，为区分Speed Class的Class 2，UHS Class并没有设置U2等级，目前仅有U1和U3，下一个等级是U5。

1. U1：表示UHS Class 1，写入速度为10MB/s
2. U3：表示UHS Class 3，写入速度为30MB/s

2.3.3、VSC标准

近来由于6K/8K视频规格的提出，以及未来VR领域应用的可能，SD5.0标准新增了视频速度等级标准（Video Speed Class），它扩展了速度标准，将卡速分为V6/V10/V30/V60/V90五大等级，分别对应6MB/s、10MB/s、30MB/s、60MB/s、90MB/s的最低写入速度。

         SD卡不同标准数据传输速度对比如下表：

2.3.4、标准对比

综上所述，SD卡根据容量标准和数据传输速度标准可总结如下表所示：

2.3.4、版本对比

SD协议不同版本的对比表：

3、SDIO总线

SDIO协议是由SD卡协议演进而来，向前兼容SD卡协议。SDIO协议在SD卡协议基础上增加了低速标准。SDIO卡只需要SPI和1位SD传输模式。低速卡的目标应用是以最小的硬件开支来支持低速I/O能力，低速卡支持类似MODEM，条形扫描仪和GPS接收器等应用。

3.1、SDIO接口

SDIO总线和USB总线类似，SDIO总线也有两端，其中一端是主机（HOST）端，另一端是设备端（DEVICE），采用HOST- DEVICE这样的设计是为了简化DEVICE的设计，所有的通信都是由HOST端发出命令开始的。在DEVICE端只要能解析HOST的命令，就可以同HOST进行通信了，SDIO的HOST可以连接多个DEVICE。

SDIO的信号传输模式包括：SPI模式、1bit模式和4bit模式；

SDIO协议规定，在SDIO的1bit模式下，数据线DATA0用来传输数据，DATA1用作中断。在SDIO的4bit模式下，数据线DATA0~3用于传输数据，其中DATA1复用作中断线；

SD卡和micro SD卡接口如下图： 

3.2、SDIO命令

SDIO总线上的设置和控制都是通过命令来实现，SDIO总线上都是HOST端发起请求，然后DEVICE端回应请求，其中请求和应答中会包含数据信息：

1. Command: 用于开始传输的命令，是由HOST端发往DEVICE端的，其中命令是通过CMD信号线传送的。
2. Response: DEVICE返回的应答。也是通过CMD线传送的；
3. Data: 数据是双向传送的。可以设置为1线模式，也可以设置为4线模式。数据是通过DAT0-DAT3信号线传输的。

SDIO的命令：

SDIO的命令分为：应用相关命令(ACMD)和通用命令(CMD)两部分。发送ACMD时，需先发送CMD55。

SDIO所有的命令和响应都是在SDIO_CMD引脚上面传输的，命令长度固定为48位，SDIO命令格式如下表所示：

SDIO的响应：

一般SD卡在接收到命令行，都会有一个应答（CMD0例外），这个应答我们也称之为响应。STM32的SDIO接口，支持2种响应类型：短响应(48位)和长响应(136位)

SDIO短响应（48位）格式如下表所示：

 SDIO长响应（136位）格式如下表所示：

 SD卡的响应：

SD卡总共有6类响应（R1、R1b、R2、R3、R6、R7），我们这里以R1为例简单介绍一下。R1（普通响应命令）响应属于短响应，其长度为48位，如下表所示：