Granite River Labs, GRL
Fred Chen 陈颂扬
安全数字卡（Secure Digital Memory Card，SD Card）是一种普遍被广泛运用于携带型装置的存储卡，例如数字相机、笔记本电脑、平板计算机、移动电话、掌上型游戏机及电子书等。SD Card 的特点在于体积小、携带方便，从2000年所推出的Version 1.01到如今8.0，SD Card 的诞生已经超过20年，数据储存容量从一开始的8MB到128TB，Max数据访问速度从12MB/s 达到985MB/s，成为市场上消费性电子产品普及使用的内存储存装置。
概述
SD Card共分为四种标准容量，他们所使用的文件系统以及SD标示如下：
SD Card 发展至今规格版本已到8.0，目前市面上被民众广泛使用的SD Card规格版本为3.01以及4.0，因此此篇内容为3.01及4.0规格之说明。SD 3.01其一排针脚（图1）除了支持基本的总线速度默认模式 (12.5MB/s)， 及高速模式 (25MB/s) 其工作电压为3.3V，更支持了工作电压为1.8V的SDR25 (25MB/s)、SDR50 (50MB/s)、SDR104 (104MB/s)、DDR50 (50MB/s) 模式，此总线接口也命名为UHS (Ultra High Speed)-I。SDR (Single Data Rate) ，为一个周期里能撷取一次数据，即一个bit，而SD Card有四条资料线进行传输所以一个周期里可以传4bit，如果一秒能传输Max速率为50MB/s其Max频率上限则为100MHz。DDR (Double Data Rate) 为一个周期里能撷取两次数据，能传输8bit，故传输Max速率会等于Max频率上限。
UHS-I在SDIO模式下可以使用四根数据线进行传输 (4-bits Data) 其使用到的针脚为1、7、8、9 (DATA0-DATA3)，若在不支持四线传输的状况下会使用单跟线（引脚7 DATA0）进行传输。针脚2为命令 (CMD) 用于HOST端与DEVICE端传输沟通时所使用的针脚。针脚5为时钟线 (CLK)。详细说明可参考下表1。
图1
表1
规格4.0总线接口为 UHS-II ，从原本的一排针脚升级成两排针脚，原本的第1排针脚兼容预设、高速以及UHS-I的传输模式。而在UHS-II接口下所使用到的针脚可参考下方图表2，UHS-II接口运用全双工与半双工的方式来进行讯号传输。可提供比UHS-I更快的总线速，讯号传输时有两条路线， 在全双工模式 会向下分配一条路线（主机到存储卡）另一条则向上分配至另一条路线（存储卡到主机）此模式可以同时向两个方向传送数据包其传输数度为 (156MB/s)，而半双工是在传输数据时两条路线为同方向，其传输速率是两倍(312MB/s) 。
图2
表2
接下来将介绍SD Card物理层（Physical Layer）测试：
UHS-I
讯号传输时DATA 会因写入读取而有Input timing以及Output timing，而Clock会是单一方向的Input timing。透过量测CLK以及DATA的讯号验证参数值是否符合SD协会所订制的设计规范（Specification）则能确保产品讯号发送的质量。
Clock讯号的时钟阀值Clock Threshold (V_CT) 定义为0.975V，透过V_CT建立参考点可以得知CLK周期，如图4；Input High Voltage (V_IH) 与Input Low Voltage (V_IL) 是由开发者在范围内定义，V_IH在1.27V到2.00V之间，V_IL在V_SS-0.30V到0.58V之间，V_IH与V_IL的区间可得到CLK的上升时间Rise time (t_CR) 与下降时间fall time (t_CF)。若想确认讯号质量，读者主要可以关注CLK的周期、上升时间、下降时间以及占空比是否符合规范要求。
DATA的讯号以V_CT为参考点在V_IH (max) V_IL (min) 标记点位区间（图5）为DATA的建立时间Set-up time (t_IS)以及保持时间Hold-time (t_IH)，从图我们可以知道若工作电压过小以及用户定义的V_IH,V_IL值过大时会导致建立时间与保持时间所标记的区间变短，这会造成产品难以辨别逻辑准位，所以在量测DATA讯号的过程可以关注两者之间的关系。
图4（出自Physical Layer Specification）
图5（出自Physical Layer Specification）
UHS-II
UHS-II的物理层测试在全双工的模式下并透过让产品进入Forward / Backward Loopback mode来让两讯号对 (D0,D1) 皆可进行传送测试 (Transmitter Test) 以及接收测试 (Receiver Test)，传送测试 (Tx) 用来确认产品发送讯号的质量，接收测试 (Rx) 则确认产品能够正确解读接收到讯号的能力。产品会在两种数据传输率 (Data rate) 下量测，分别是Range A 和 Range B，Range A为CLK频率（UHS-II产品规范26MHz~52MHz）x 15数据传输率390Mbps~780Mbps；Range B 为CLK频率x30数据传输率780Mbps~1560Mbps。
(1) 传送测试 (Transmitter Test)
测试讯号对D0时会使用讯号产生器 (Signal Generator) 发送测试pattern (CLK和PRBS 2^7-1) 到讯号对D1，透过forward loopback mode产品 将D1接收的讯号转由D0发出（图6）进入示波器将撷取到的波形进行分析测试。测试讯号对D1时则须让产品进入Backward loopback mode，讯号则会由D0进入D1输出至示波器（图7）。下表3为Tx 分析项目与规范，读者可以看到对于讯号的上升、下降时间有Min要求，而分差电压与共模电压的规范可知两者的相位差与电压大小也须在一定范围。
图6
图7
表3
(2) 接收测试 (Receiver test)
接收测试目的在于测试产品是否能够准确接收讯号的能力，讯号在传送的过程中会因线路、环境温度等各样因素导致讯号从发送端到达接收端有所衰减，接收端必须能在衰减的讯号下准确解读讯号。因此在接收测试中仪器会在发送给产品的讯号源（使用PRBS 2^7-1 test pattern）加入抖动频率与抖动量，来模拟实际传输时的衰减，透过Loopback mode进行接收回传至误码仪 (Error Detector) ，此过程不能有任何bit error产生。下表4为不同范围传输率下 (390Mbps~1.56Gbps) 量测两个抖动频率点 (0.234MHz和 2.34MHz) ，每点测试3*10^11个bit下规定所需加入的抖动量。
表4
结论
SD Card UHS-I接口支持工作电压1.8V的SDR25、SDR50、SDR104、DDR50传输模式，在物理层上量测DATA, CLK各参数值是否符合规范来确认讯号质量。UHS-II兼容UHS-I传输模式外，全双工的传输模式在Range B的状态下讯号传输率可达1560Mbps，在物理层的测试下透过让产品进入Loopback mode来让两讯号对 (D0,D1) 皆可进行接收与发送的测试。希望透过本篇内容能让读者对SD Card 有一个初步的概念。
参考文献
- Part 1 UHS-II PHY Test Guideline Ver.1.00 Final 140714
- Part 1 Physical Layer Specification Ver5.10 Final 161101
- Part 1 UHS-II Addendum Ver1.02 Final 140528
- Format of SD Specification
作者
GRL 中国台湾技术工程师 陈颂扬Fred Chen
在GRL拥有超过三年测试经验，熟悉DispalyPort, SD card, Thunderbolt function相关测试规范，协助客户取得认证。GRL 技术文章作者及演讲讲师。
本文件中规格特性及其说明若有修改恕不另行通知。
发布日期 2021/08/25 AN-210825-TW