BÁO cáo đề tài tìm hiểu về chuẩn giao tiếp SD SDIO

SDSC Original Standard-Capacity Chuẩn dung lượng ban đầu SDUC Ultra- Capacity Dung lượng cực lớn SPI Serial Peripheral Interface Chuẩn truyền thông nối tiếp đồng bộ GPS Global Positionin

KHOA KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ 1

BÁO CÁO ĐỀ TÀI:

“Tìm hiểu về chuẩn giao tiếp SD/SDIO”

Môn học : Thiết kế ngoại vi và kỹ thuật ghép nối

Nhóm bài tập lớn : 06

Sinh viên thực hiện : Hoàng Đăng Phương B18DCDT188

Nguyễn Khắc Đông B18DCDT052

HÀ NỘI, 02 / 2022 -

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, khái niệm kỹ thuật đã trở nên quen thuộc với nhiều người bởi sự phát triển của ngành này rất lớn với sự phát triển của kinh tế toàn cầu Để đáp ứng nhu cầu cấp thiết của cuộc sống và hội nhập tiến độ phát triển trên thế giới, đòi hỏi các ngành kỹ thuật hiên nay ngày càng phải nâng cao và phát triển về chất lượng và khả năng ứng dụng rộng rãi Trong đó ngành “Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử” đóng vai trò rất quan trọng trong cuộc sống sinh hoạt hàng ngày cũng như trong sản xuất trên khắp thế giới

Với nền công nghiệp 4.0 bây giờ các thiết bị điện tử đóng vai trò rất quan trọng, ngày càng trở nên hiện đại và chất lượng rất tốt Đặc biệt với các ngành công nghiệp, công suất không thể thiếu để vận hành máy móc hoạt động Vì thế môn học Thiết kế ngoại vi và kỹ thuật ghép nối được đưa vào giảng dạy có thể giúp cho chúng em tiếp thu thêm nhiều kiến thức về các giao thức

Cùng với những kiến thức đã được học trên lớp và kinh nhiệm đã có chúng em

đã bắt tay vào làm bài tập lớn của cô giao cho

Trong quá trình thực hiện, nhóm chúng em đã rất cố gắng để hoàn thành tốt, nhưng do vốn kiến thức vẫn còn hạn hẹp và kỹ năng vẫn chưa có được nhiều nên không tránh khỏi những sai sót Chúng em rất mong sự đóng góp ý kiến, phê bình và hướng dẫn thêm của cô và các bạn trong lớp để giúp chúng em hoàn thiện hơn

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô Trần Thúy Hà đã giảng dạy môn Thiết kế ngoại vi và kỹ thuật ghép nối và truyền đạt kiến thức cho chúng em để

có thể hoàn thành tốt những bài tập này

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

SD Secure Digital Định dạng thẻ nhớ

SDIO Secure Digital Input/Output Định dạng thẻ nhớ vào/ra

SDHC High-Capacity Dung lượng cao.

SDXC Extended-Capacity Dung lượng mở rộng.

SDSC Original Standard-Capacity Chuẩn dung lượng ban đầu

SDUC Ultra- Capacity Dung lượng cực lớn

SPI Serial Peripheral Interface Chuẩn truyền thông nối tiếp

đồng bộ

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cục

SPEC Specification Sự chỉ rõ

SSD Solid State Drive Ổ cứng thể rắn

iSDIO Intelligent SDIO Định dạng thẻ nhớ vào/ra thông

minh

AAC Advanced Audio Coding Mã hóa âm thanh nâng cao

HE-AAC High Efficiency Advanced Mã hóa âm thanh nâng cao hiệu

quả cao

Audio Encoding WMA Windows Media Audio Định dạng âm thanh của Window

CPRM Content Protection for Bảo vệ nội dung cho file phương

được ghi lại

Recordable Media MPEG Moving Picture Experts Group Nhóm các chuyên gia hình ảnh

động

H.264 MPEG-4 Part 10 AVC(Advance Mã hóa video cấp cao

Video Coding) VC-1 SMPTE 421 Định dạng video độ nét cao

ISDB-T Intergrated Service Digital Dịch vụ tích hợp phát thanh

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 3

1 Khái niệm 5

1.1 SD 5

1.2 SDIO 5

1.3 Điểm khác biệt giữa SD và SDIO 6

2 Ứng dụng 7

3 Ví dụ về ứng dụng 7

3.1 SD 7

3.2 SDIO 9

3 Cách thức hoạt động, tổ chức 10

3.2 SD 10

4.2 SDIO 11

4 Ưu điểm 11

5 Nhược điểm 12

6 Tính phù hợp cho ứng dụng 12

6.2 SD – Audio 12

6.3 SD-Video (Tùy chọn CPRM) 12

6.4 SD-Binding (CPRM Bắt buộc) 12

6.5 Phân phối SD riêng biệt (Bắt buộc CPRM) 13

6.6 Sách điện tử SD-SD (Bắt buộc CPRM) 13

7 Khuyến nghị 14

7.1 Đối với nhiếp ảnh: 14

7.2 Thiết bị không người lái 14

LỜI CẢM ƠN 15

SD (Secure Digital) là 1 định dạng thẻ nhớ Flash (loại bộ nhớ không cần

nguồn điện để duy trì dữ liệu), nó được sử dụng trong các thiết bị cầm tay hoặc

có thể được sử dụng trực tiếp trong các khe cắm thẻ nhớ Compact Flash hay

PC với đầu chuyển đổi

Thẻ SD dựa trên định dạng MultiMediaCard (MMC) bản cũ, nhưng hầu hết đều dày hơn một chút so với thẻ MMC

Chuẩn SD của thẻ nhớ này có 3 loại kích thước khác nhau bao gồm:

SD, miniSD và microSD

Hình 1: Các loại thẻ nhớ Thẻ nhớ hiện nay bao gồm 3 loại chính : SD/MicroSD,

SDHC/MicroSDHC, SDXC/MicroSDXC

SD bao gồm 5 họ thẻ:

o SDSC(Original Standard-Capacity) : chuẩn dung lượng ban đầu

o SDHC(High-Capacity) : dung lượng cao

o SDXC(Extended-Capacity) : dung lượng mở rộng

o SDUC(Ultra-Capacity) và SDIO : bao gồm tính năng vào ra cho việc lưu trữ dữ liệu

1.2. SDIO

SDIO (Secure Digital Input/Output) là một giao diện mở rộng kiểu SD cung cấp bằng các chức năng I/O dữ liệu tốc độ cao riêng biệt hoặc khả năng của bộ nhớ có trong thẻ

Ngoài khả năng kết nối với thẻ SD nó cũng có thể được kết nối với các thiết bị

hỗ trợ giao diện SDIO

Giao thức SDIO được phát triển và nâng cấp từ giao thức của thẻ SD (Có

nhiều nơi giữ lại giao thức đọc và ghi của thẻ SD):

o Giao thức SDIO bổ sung các lệnh CMD52 và CMD53 và giao thức của thẻ SD

o Giao thức SDIO là giao thức có 1 bus được sử dụng rộng rãi để giao tiếp giữa các thiết bị và máy chủ

o Thời điểm ban đầu bus của giao thức SDIO được sử dụng hoạt động ở 50MHz còn hiện nay thì ở mức 200MHz

o SDIO chỉ cần SPI và chế độ truyền 1-bit SD

o Giao diện Bus SDIO

Hình 2: Giao diện Bus SDIO

1.3 Điểm khác biệt giữa SD và SDIO

Khác nhau cơ bản về chức năng sử dụng là SDIO dành cho I/O (chức năng Input và Output của 1 hệ thống xử lý thông tin) còn với thẻ SD chỉ để lưu trữ (bộ nhớ), phía thẻ SDIO có thể ngắt bộ xử lý máy chủ trong khi SD không làm gián đoạn phía máy chủ, máy chủ phải đọc hoặc ghi vào thẻ SD

Điểm khác biệt quan trọng giữa thông số kỹ thuật thẻ SDIO và SD là việc bổ sung các tiêu chuẩn tốc độ thấp Ứng dụng mục tiêu của thẻ tốc độ thấp bắt đầu với phần cứng nhỏ nhất để hỗ trợ khả năng I/O tốc độ thấp Thẻ tốc độ thấp hỗ trợ các ứng dụng như modem, máy quét mã vạch và máy thu GPS Thẻ tốc độ cao hỗ trợ thẻ mạng, thẻ TV và thẻ "kết hợp", v.v

Thẻ kết hợp đề cập đến bộ nhớ + SDIO Đối với thẻ kết hợp, tốc độ đầy đủ và hoạt động 4 bit là yêu cầu bắt buộc đối với bộ nhớ trong và phần SDIO của thẻ Trong các thiết bị SDIO không kết hợp, tốc độ tối đa chỉ được đạt 25M còn với thẻ kết hợp giống với thẻ SD, cao hơn 25M

Có 2 loại thẻ kết hợp:

Hình 3: Các loại thẻ SD và sự khác biệt với SDIO

2 Ứng dụng

SD, SDHC, SDXC sử dụng trên các dòng máy ảnh du lịch, máy quay HD bán chuyên, máy chuyên và máy quay kỹ thuật số

MicroSD - MicroSDHC - MicroSDXC sử dụng phần lớn cho các thiết bị di động (điện thoại thông thường, smartphone, tablet), camera hành trình và 1

số thiết bị chuyên dụng khác

SDIO có thể được kết nối với bộ thu GPS, bộ điều hợp Wi-Fi hoặc Bluetooth, modem, bộ điều hợp mạng LAN, đầu đọc mã vạch, đài FM, bộ thu TV, đầu đọc xác thực tần số radio, Hoặc máy ảnh kỹ thuật số và các thiết bị khác sử dụng SD các giao diện tiêu chuẩn

3 Ví dụ về ứng dụng

Hình 4: Thẻ SD trong máy ảnh dung lượng 8GB

Hình 5: Thẻ SD trong máy ảnh dung lượng 128GB

Hình 6: Thẻ MicroSD cho điện thoại dung lượng 128GB

Hình 7: Thẻ MicroSD cho điện thoại dung lượng 16GB

3.2 SDIO

Hình 8: Bộ điều hợp wifi

Hình 9: Bộ điều hợp mạng LAN

4 Cách thức hoạt động, tổ chức

Bên trong SD có ô nhớ để lưu các giá trị 0 và 1 Các ô nhớ này là các bóng bán

dẫn transistor (bóng bán dẫn Transistor là một công tắc điện tử, nghĩa là nó

dùng chính dòng điện để bật tắt, cho phép dòng điện đi qua hoặc không đi qua) Vì vậy, dòng điện đi qua được quy ước kí tự 1 trong mã nhị phân, và

dòng điện bị chặn sẽ được quy ước ký tự 0 trong mã nhị phân Đối với SD

người ta sẽ nhốt electron lại, để khi rút thẻ nhớ ra khỏi nguồn điện electron vẫn không chạy mất được Nhờ đó nó vẫn quyết định trạng thái của bóng bán dẫn Transistor là có cho dòng điện chạy qua hay không Điều đó có nghĩa là nó sẽ lưu lại được thông tin

Hình 10: Cấu tạo bóng bán dẫn

Bóng bán dẫn trong thẻ nhớ SD sẽ có một lớp bán dẫn P làm nền (như hình bên trên), ở 2 bên của bán dẫn P sẽ là 2 điện cực được ký hiệu là A và B được nối với 2 bán dẫn loại N Trên bán dẫn P có một lớp Oxit cách điện, trên lớp Oxit là một lớp kim loại (người ta gọi là cổng trôi và là bức ngăn để nhốt Electron), trên cổng trôi lại là một lớp oxit cách điện, và trên cùng nó sẽ là một lớp kim loại nữa (hay còn gọi là cổng điều khiển, chính cổng điều khiển này sẽ điều khiển việc nhốt electron)

Về nguyên lý hoạt động của bóng bán dẫn trong thẻ nhớ SD sẽ diễn ra như sau Khi có nhu cầu đọc dữ liệu, người ta sẽ nối 2 đầu A và B của bóng bán dẫn với một dòng điện, và nối thêm một điện cực dương vào cổng điều khiển D

Như vậy, chúng ta đã hiểu được nguyên lý các electron được đưa vào cổng trôi

C và nhốt chúng ở đó là như thế nào rồi, và cái bóng bán dẫn bây giờ mang giá trị là 0 Ngược lại, muốn đổi nó sang giá trị là 1 thì chỉ cần đặt một điện cực âm mạnh vào D, nó sẽ đẩy hết các electron từ cổng C ra ngoài

 Tóm lại, thẻ nhớ lưu dữ liệu bằng cách nhốt electron trong cổng trôi hoặc đẩy

nó ra, tương ứng với giá trị 0 hoặc 1 Việc nhốt được electron là do hiện tượng "xuyên hầm",

có điện thì tạo ra lực hút tác động đẩy electron chui qua, nhưng ngắt điện thì electron không chui qua được Các nhà sản xuất cho biết, cổng trôi có thể nhốt được electron trong khoảng

15 năm, nếu dùng công nghệ và vật liệu chất lượng cao thì có thể lên tới 100 năm Nghĩa là chiếc thẻ nhớ SD có độ bền lên đến 15 năm hoặc lâu hơn tuỳ thuộc vào vật liệu sản xuất

4.2 SDIO

SDIO Command Set : Theory of Operations (Bộ lệnh SDIO : Lý thuyết hoạt động).

CMD52: IO_SEND_OP_COND (Kiểm tra dải điện áp của I/O Card)

o CMD52 được xác định bởi 6 bit lệnh này được đặt ở vị trí có địa chỉ 000101b

o Các giá trị cực đại và cực tiểu được của VDD được cài đặt ở thanh ghi OCR I/O là 1 thanh ghi 24 bit trong CMD5

o S18R là bit chuyển sang 1.8V

o CMD52 : IO_RW_DIRECT : truy cập I/O nhanh hơn

CMD52 thực hiện trong SDIO bằng cách ghi vào các bit cụ thể trong thanh ghi bằng các câu lệnh trong vùng I/O

Nếu không thì sẽ sử dụng các mã lệnh riêng trong SD:

o Hủy bỏ chuyển giao khối

o Cài đặt độ dài khối trong hàm thanh ghi cơ bản.

o Cài đặt độ rộng của Bus

CMD53: IO_RW_EXTENDED : cho phép truy cập nhanh với địa chỉ

Byte hoặc Block

o Cho các tùy chọn đọc hoặc ghi nhiều thanh ghi I/O với 1 câu lệnh

o Đọc và ghi một hoặc nhiều khối không giống như SD phải sử dụng nhiều câu lệnh hơn

Thẻ SD tiêu thụ lượng điện năng rất ít

Thẻ SD sử dụng bộ nhớ không thay đổi, có thể giữ dữ liệu ổn định trên thẻ Nói cách khác, dữ liệu trên thẻ SD không bị ảnh hưởng bởi sự cố mất điện Thẻ nhớ này không đòi hỏi thiết bị đang dùng phải có kết nối internet ổn định mới truy cập được dữ liệu đã lưu

Thẻ nhớ microSD sẽ giúp dữ liệu của mọi người được bảo mật an toàn hơn Các vấn đề về rò rỉ thông tin, hình ảnh, video, clip đã lưu trữ lên internet sẽ hạn chế hơn

Có thể dễ dàng sử dụng thẻ để tải tài liệu về lưu trữ, xóa các dữ liệu không cần thiết đã lưu hoặc là sao chép dữ liệu qua đầu đọc thẻ

5.2. SDIO

SDIO có khả năng bảo mật dữ liệu và tốc độ giao tiếp nhanh hơn SPI Cụ thể SPI thì chỉ có 1 bit data nên tốc độ rất chậm SDIO có hỗ trợ 3 mode giao tiếp

là 1, 4, 8 bit data nên tốc độ nhanh hơn rất nhiều

Hỗ trợ nhiều loại thẻ khác nhau như thẻ SD, MMC, SDIO và thiết bị CE-ATA

Hỗ trợ đa chức năng bao gồm nhiều I/O và I/O kết hợp và bộ nhớ

o Có tới 7 chức năng I / O cộng với một bộ nhớ được hỗ trợ trên một thẻ

o Hỗ trợ hầu hết các lệnh bộ nhớ của thẻ SD, ngoài ra bổ sung các lệnh CMD52 và CMD53 vào giao thức thẻ SD

Nó được phát triển trên cơ sở giao diện thẻ SD Nó có thể tương thích với các thẻ SD trước đây và kết nối các thiết bị giao diện SDIO, chẳng hạn như Bluetooth, WiFi, máy ảnh, v.v

Bổ sung chuẩn đọc tốc độ thấp so với SD giúp hỗ trợ các ứng dụng

như modem, máy quét mã vạch và máy thu GPS

Hoàn toàn tương thích với thông số kỹ thuật thẻ nhớ SD phiên bản 2.0

6 Nhược điểm

Mặc dù thẻ nhớ được biết là cung cấp nhiều không gian lưu trữ hơn, nhưng

nó vẫn còn thiếu ở khía cạnh tốc độ

Vì thẻ nhớ sử dụng bộ nhớ flash nên chúng có số chu kỳ hạn chế Số lần thông tin có thể được viết và xóa bị giới hạn (khoảng 100.000 lần) Điều này có nghĩa là tuổi thọ của thẻ sẽ giảm dần khi sử dụng

Khả năng tương thích chưa được cao giữa các loại thẻ với các thiết bị Có thể

sẽ phải định dạng (format) lại thẻ khi chuyển sang thiết bị khác và khi đó thì các dữ liệu trong thẻ sẽ bị mất

Thẻ SD không phải là giải pháp lưu trữ lý tưởng, NVME là một giải pháp lưu trữ tốt hơn do hiệu suất ghi tuần tự và đọc tuần tự tốt hơn

6.2. SDIO

Không hỗ trợ các lệnh với bộ nhớ SD như lệnh Erase, thus

Chỉ hỗ trợ trên những dòng chip ARM cao cấp, những dòng chip đời thấp có thể không được hỗ trợ

Có nhiều sản phẩm host SD hỗ trợ thẻ nhớ SD nhưng số host hỗ trợ SDIO rất ít

7 Tính phù hợp cho ứng dụng

7.1. SD – Audio

Cung cấp codec và định dạng tệp cần thiết để truyền, lưu trữ hoặc tải xuống tệp

âm thanh trên điện thoại di động và các thiết bị khác

Dữ liệu được bảo mật bằng CPRM, chức năng bảo vệ bản quyền tích hợp theo tiêu chuẩn SD Người dùng cần sử dụng thẻ nhớ SD tuân thủ CPRM SD-Audio hỗ trợ các định dạng AAC, HE-AAC, WMA và MP3 được sử

dụng rộng rãi

Hình 11: Quá trình truyền tải dữ liệu vào thẻ SD

7.2. SD-Video (tùy chọn CPRM)

Tiêu chuẩn làm cho Video di động hơn

SD-Video chỉ định codec âm thanh, video và định dạng tệp cho phép người dùng xem video trên vô số thiết bị điện tử tiêu dùng được xây dựng theo tiêu chuẩn SD Không giống như SD-Audio, việc sử dụng CPRM là tùy chọn Người dùng thậm chí có thể ghi lại các chương trình phát sóng kỹ thuật số vào điện thoại di động và các thiết bị khác của họ Người dùng cần sử dụng thẻ nhớ SD tuân thủ CPRM để ghi chương trình phát sóng và quay video thương mại

SD-Video hỗ trợ vô số định dạng, bao gồm MPEG-2, MPEG-4, H.264

và VC-1

Hình 12: SD-Video (ISDB-T với CPRM)

 Ghi nội dung phát sóng

 Chương trình phát sóng kỹ thuật số tầm nhìn cao có thể được lưu bằng cách ghi lại chất lượng hình ảnh được chuyển đổi thành chất lượng độ nét tiêu chuẩn hoặc thấp hơn trong thẻ nhớ SD với CPRM và trong trường hợp ghi chương trình phát sóng một đoạn, nó

có thể được lưu bằng chất lượng hình ảnh như nó

7.3. SD-Binding (CPRM bắt buộc)

SD-Binding ràng buộc việc tải xuống nội dung kỹ thuật số trực tiếp và độc quyền với thiết bị của nhà cung cấp dịch vụ được ủy quyền hoặc các thiết bị cho một dịch vụ cụ thể Chỉ các thiết bị được phép mới có thể phát lại nội dung

để ngăn sao chép và phân phối trái phép Người dùng cần sử dụng thẻ nhớ SD tuân thủ CPRM để sử dụng SD-Binding

7.4. Phân phối SD riêng biệt (bắt buộc CPRM)

Phân phối riêng biệt SD (SD-SD) cho phép phân phối linh hoạt để quản lý nhiều loại nội dung đồng thời bảo vệ bản quyền Trong SD-SD, khóa nội dung và dữ liệu nội dung có thể được xử lý riêng biệt SD-SD hỗ trợ các sơ đồ phân phối

Ghi dữ liệu tại thiết bị đầu cuối

kiosk Nội dung tải trước

Tải xuống và ghi âm

Tải xuống chính

Thẻ nhớ SD cũng có thể được sử dụng như một khóa lưu trữ quan trọng Chỉ các phím được lưu trong thẻ nhớ SD Người dùng chỉ có thể phát lại dữ liệu nội dung trong thiết bị khi thẻ nhớ SD được lắp vào thiết bị Người dùng cần

sử dụng thẻ nhớ SD tuân thủ CPRM để lưu thông tin quan trọng

SD-SD cung cấp một số cấu hình định dạng nội dung Một số cấu hình có khả năng tương thích với Ứng dụng SD tương ứng, chẳng hạn như giữa Âm thanh