SDIO（Secure Digital Input Output）详解

1. SDIO的定义

SDIO（Secure Digital Input Output） 是基于 SD（Secure Digital）存储卡标准 扩展的 通用输入输出接口协议，允许设备通过SD卡槽连接多种外设（如Wi-Fi模块、GPS、摄像头等）。它不仅支持存储功能，还扩展了数据传输和外设控制能力，广泛应用于嵌入式系统、移动设备及物联网（IoT）领域。

---

2. SDIO的硬件接口

SDIO的硬件接口基于 SD卡物理接口，采用 9针脚设计，支持多种工作模式（SD模式/SPI模式）。以下是其核心硬件特性：

引脚定义与功能

引脚编号	名称	功能描述
1	DAT3	数据线3（SD模式）或片选信号（SPI模式）
2	CMD	命令/响应信号线，用于传输控制命令和状态响应
3	VSS	地线（GND）
4	VDD	电源（3.3V或1.8V，支持UHS低电压模式）
5	CLK	时钟信号线，同步数据传输
6	VSS	地线（GND）
7	DAT0	数据线0（SD模式）或主输入从输出（SPI模式）
8	DAT1	数据线1（SD模式）或保留（SPI模式）
9	DAT2	数据线2（SD模式）或保留（SPI模式）

关键硬件特性

1. 接口模式：

   • SD模式（默认）：

     • 4位并行数据总线（DAT0-DAT3），全双工通信。

     • 支持高速（HS，25 MHz）和超高速（UHS-I，104 MHz）模式。

   • SPI模式（兼容性模式）：

     • 单线半双工通信，简化硬件设计但速率较低（通常≤25 Mbps）。

2. 电气特性：

   • 电压：标准3.3V，UHS模式支持1.8V（降低功耗）。

   • 电流：典型工作电流10~100 mA（取决于外设功耗）。

   • 信号电平：差分信号（SD模式），兼容CMOS/TTL电平（SPI模式）。

3. 物理尺寸：

   • 标准SD卡槽（全尺寸、miniSD、microSD），通过适配器兼容不同尺寸模块。

---

3. SDIO的协议与功能扩展

SDIO协议在SD存储协议基础上扩展了 外设控制命令 和 数据传输机制：

• 命令类型：

  • CMD52：读写外设寄存器（如配置Wi-Fi模块的工作模式）。

  • CMD53：块数据传输（如从GPS模块读取位置数据流）。

• 中断支持：通过DAT1线发送中断信号（如外设事件通知）。

• DMA支持：支持直接内存访问，降低CPU负载。

---

4. 典型应用场景

SDIO因其 低功耗、热插拔和接口标准化 特点，被广泛应用于以下领域：

1. 移动设备扩展

• Wi-Fi/蓝牙模块：

  • 早期智能手机（如HTC HD2）通过SDIO接口连接Broadcom BCM4329芯片，实现Wi-Fi和蓝牙功能。

  • 嵌入式设备（如树莓派）扩展Wi-Fi SDIO卡（如ESP32-SDIO）。

• GPS接收器：

  • 车载导航设备通过SDIO接口连接U-blox GPS模块，实时获取位置数据。

2. 嵌入式系统与物联网

• 工业传感器：

  • 通过SDIO连接Zigbee/LoRa模块（如Semtech SX1280），构建无线传感网络。

• 智能家居：

  • 摄像头模块（如OV5640）通过SDIO接口传输图像数据至主控芯片。

3. 消费电子

• 便携式支付终端：

  • POS机通过SDIO接口连接NFC读卡器（如PN532），支持非接触式支付。

• 游戏设备：

  • 任天堂DS早期使用SDIO接口扩展Wi-Fi联机功能。

4. 医疗设备

• 便携式监测仪：

  • 血糖仪、心电图仪通过SDIO接口传输数据至移动终端（如PDA）。

5. 通信模块

• 4G/5G模块：

  • 部分蜂窝模组（如Quectel EC25）支持SDIO接口，用于嵌入式通信设备联网。

---

5. SDIO开发要点

硬件设计注意事项

1. 信号完整性：

   • CLK信号需走线短且等长，避免时钟抖动（Jitter）。

   • 电源引脚（VDD/VSS）需就近布置去耦电容（如0.1μF）。

2. 电平匹配：

   • 若主控芯片为1.8V逻辑，需使用电平转换芯片（如TXB0104）。

3. 热插拔保护：

   • 添加ESD保护二极管（如TPD4E05U06），防止静电损坏。

• RTOS（如FreeRTOS）：

  • 实现SDIO主机控制器驱动，处理CMD53多块传输。

---

6. SDIO的替代方案与未来

• 替代技术：

  • USB OTG：提供更高带宽（USB 3.0达5 Gbps），广泛用于现代设备。

  • MIPI接口：专为摄像头/显示屏优化（如MIPI CSI-2/DSI）。

• SDIO的演进：

  • SD Express：基于PCIe/NVMe协议，速率可达3.94 GB/s，兼容SDIO外设。

---

总结

SDIO通过复用SD卡接口实现了灵活的外设扩展，尽管在消费电子领域逐渐被USB替代，但其 低功耗、标准化和热插拔特性 仍在嵌入式、工业及医疗设备中占据一席之地。开发时需重点关注信号完整性和驱动兼容性，结合具体场景选择SPI或SD模式以平衡性能与成本。