存储卡 （用于手机和数码相机等数码产品的存储介质）

简介

1994年SanDisk公司推出了CF存储卡，其作为一种便携固态产品，当时非常流行。1995年东芝公司发布了SM存储卡，但由于控制电路需要集成在数码产品中，使其使用越来越少。1997年由西门子公司和SanDisk公司共同推出的MMC存储卡，主要针对数码影像设备、手机等便携式设备。1999年由日本松下、东芝及SanDisk共同开发研制了SD存储卡，由于其容量大、速率高等特点被广泛使用，在此基础上，演化出了Mini SD存储卡和microSD卡，以便于其不同的使用场景。2000年，随着SD协会的成立，存储卡的发展有了统一的标准，自此存储卡走上了高速发展的时代。截止2022年底，存储卡读写速率已达到百兆每秒的水平。

存储卡被广泛应用于数码相机、手机、便携式电脑及各种工业设备中，由于数码视频的发展，存储卡也随之发展出了能适应4K/8K视频的V60/V90的存储卡。但在手机中，存储卡已逐渐消失，其主要原因在于存储卡已无法适应5G时代的下载读写速率。而在工业领域，户外场景以及小型设备中，存储卡则越来越专业以适应各种场景，其依然是存储数据的不二之选。

发展历程

初代存储卡

1994年由SanDisk公司最先推出了Compact Flash （CF）存储卡，其尺寸为43mm×36mm×3.3mm，重量只有14g。最初的CF存储卡采用Flash Memory进行信息存储，是一种固态产品，在工作时没有机械运动的部件。但随着发展，高速的CF存储卡主要被应用在大体积的数码相机上。

1995年11月东芝公司发布了SmartMedia（SM）存储卡。SM存储卡的标准尺寸为37mm×45mm×0.76mm，SM存储卡本身不具有控制电路，由主机内的集成电路控制存储，其外壳由塑胶制成，SM存储卡的体积小巧、轻薄，在2002年以前被广泛应用于数码产品当中，比如奥林巴斯和富士的老款数码相机中多采用SM存储卡。但由于SM存储卡的控制电路集成于数码产品当中，这使得数码产品对存储介质的兼容性受到较多限制，所以这类产品的使用量越来越少。

1997年由西门子公司和SanDisk公司共同推出MultiMedia Card (MMC)存储卡。主要针对数码影像设备、手机、PDA、电子书、玩具等产品，MMC存储卡的尺寸为32mm×24mm×1.4mm，采用7针接口，没有读写保护开关，重量只有1.5g。MMC把存储单元和控制器一同集成在存储卡中，智能控制器可以使MMC存储卡具备较高的兼容性和灵活性。但由于MMC存储卡可以被SD存储卡向上兼容，即SD卡设备可以读取MMC存储卡，但MMC卡设备无法读取SD卡且SD卡的容量更大，使得MMC存储卡逐渐消失。

SD卡的诞生

1999年由日本松下、东芝及SanDisk共同开发研制Secure Digital（SD）存储卡，尺寸为 32mm×24 mm×2.1mm，重量只有2g，但却具有容量大、数据传输率高、灵活性好的特点。 SD存储卡的结构能保证数字文件传送的安全性，也很容易重新格式化，所以有广泛的应用领 域。后续又演化出了，其性能和传统的SD存储卡并无大的区别，不过其体积更为小巧，尺寸只有21.5 mm×20 mm×1.4 mm，比SD存储卡减小了40%。它可以配合专用转接卡使用，完全兼容标准SD存储卡插槽。另一方面，MiniSD存储卡采用低耗电设计，因此比SD存储卡更适于移动通信设备使用，主要应用在手机、PDA、掌上电脑等信息终端设备上。

1999年由索尼公司推出的另一种存储卡产品MemoryStick（记忆棒），尺寸为50mm×21.5mm×2.8mm，重4g。其采用精致醒目的蓝色或白色外壳，具有写保护开关。MemoryStick的规范是非公开的，要使用它的规范就必须和索尼公司签订许可，因此这种存储卡只被应用于索尼公司的笔记本电脑、数码相机、游戏机等数码产品中，这也使MemoryStick的发展受到了很大限制。

存储卡的发展

2000年1月，SD卡协会正式成立，当年推出了最大容量64MB、传输速度约12.5MB/s的产品。2004年2月，闪迪又和摩托罗拉发布了更小巧的microSD卡（也称为TransFlash或TF卡）。2006年1月，SD2.0带来了采用FAT32文件系统、最大容量32GB的SDHC（包括miniSDHC、microSDHC）卡。而最初版本的SD卡采用FAT12/FAT16文件系统，最大容量为2GB。2010年5月，SD3.01带来了采用exFAT文件系统、最大容量提升到2TB的SDXC（包括microSDXC）卡；以及UHS-I高速总线，最大传输速度为104MB/s。2011年6月，SD4.0带来了UHS-II总线。这种SD卡（包括microSD卡）具有两排触点，可以实现全双工156MB/s、半双工312MB/s的传输速度。

2016年2月，SD5.0带来了视频速度等级规范，包括V30、V60、V90。2017年2月，SD6.0带来了全双工312MB/s、全双工624MB/s的UHS-III总线以及随机读取4000IOPS、随机写入2000IOPS的A2标准。2018年6月，SD7.0带来了最大容量可达128TB的SDUC（包括microSDUC）；以及基于PCIe 3.0 x 1总线和NVMe协议的SD Express卡，提供最高985MB/s的全双工传输速度。2020年5月，SD8.0引入了PCIe 3.0×2、PCIe 4.0×1和PCIe 4.0×2，将最高速度提升至接近4GB/s。2022年5月，SD9.0增加了快速启动和安全启动特性，为SD卡创造了半嵌入式应用场景。

分类

Compact Flash （CF）存储卡

CF卡是较为大众化的存储器，主要用于数码相机、PDA(个人数字辅助器 )、音频／视频 、便携式终端 、MP3播放器 、手提电脑和其它方便用途。

CF卡具有内置的控制电路，大大简化了外围控制电路的设计，实现用单片机对CF卡的简单读写后，可以进一步将数据内容按照windows标准文件格式写入CF卡，而通过读卡器又可以将写入CF卡的数据以标准文件形式读出。

CF卡由两个基本部分组成：控制芯片和闪存模组。闪存用于存储信息，控制芯片用来实现与主机的连接及控制数据在闪存模块中的传输。CF卡为50针接口，其中重要的信号线16根数据线、11根地址线、2根寄存器组选择信号线(CS0、 CS1)、数据的读写线(IORD、IOWR)、1根中断信号请求线(INTRQ)和 1根复位线(RESET)。CF卡的寄存器都是8bit的，只有数据寄存器是16bit。CF卡控制器中包含两组寄存器：命令寄存和控制寄存器，它们通过REG信号进行区分。

SmartMedia（SM）存储卡

SmartMedia（SM）卡同样使用闪存技术，它在体积上与CF卡相比更为小巧，其厚度还不足1mm，但 SM卡在存储容量上已经落后于CF卡。 硬件SM卡基于ATA和DOS存档标准，支持多种与计算机的连接方式，其中最具特色的是它支持使用磁盘转换器，通过磁盘转换器，SM卡就可以像磁盘一样 插入计算机进行数据交换。与CF卡一样， SM卡也可以通过读卡器连接到并行打印机端口、USB端口或SCSI端口进行数据传输。

SM卡是可擦除、可编程的只读内存，读写速度非常快。由于卡本身较薄，使得其容量也难以提升，其容量为16~128MB。SM卡内没有集成控制单元和I/O规范，兼容性较差，功能扩充性差。其主要用于各类掌上电子产品，如PDA、数码相机、MP3等。

MMC存储卡

MMC是Multi Media Card的缩写，意为多媒体卡，它是很少的可移动的FLASH存储器件，其成本低、功耗少，且断电也不会丢失数据，是当时理想的存储媒体。它的尺寸是32mm(长)x24mm(宽)x1.4mm(厚)，且不同型号的MMC卡容量都不同，以SDMB来表示，如SDMB-32容量为32MB。

MMC卡接口共有7根线，3根通信线和4根电源线。这3根通信线用于微处理器与MMC卡之间的通信，它们是按3线串行总线(时钟，命令、数据)方式通信的。同时MMC存储卡内置一个智能子系统，这个子系统中包含了其他类型存储卡没有的功能，如管理识别、错误恢复、低功耗管理等功能。

MMC卡除标准版之外还有RSMMC卡，又叫迷你MMC卡，是Reduced-Size Multi Media Card的简称。其形状正好是MMC卡的一半，体积为24mm×18mm×1.4mm，质量为0.8g。这种微型体积的RSMMC卡则适合用在手持式电子产品尤其是手机上，它的特性和MMC卡相同，也是7个针脚，通过在后面安装专用适配器可以当做MMC卡一样来用。

Secure Digital（SD）存储卡

SD卡 (Secure Digital Memory Card)是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，大小犹如一张邮票的SD记忆卡。重量只有2克， 但却拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性，在半导体存储卡市场占有极大份额。

SD卡结合了SanDisk快闪记忆卡控制与MLC技术和东芝的NAND技术，通过9针的接口界面与专门的驱动器相连接，不需要额外的电源来保持其记忆的信息 ，而且它是一体化同体介质 ，没有任何移动部分，所以不用担心机械运动的损坏。

Mini SD卡

Mini SD由松下和SanDisk共同开发。为了方便更多使用者能在不同存储卡中转换使用Mini SD，SanDisk还特意推出了SD转接卡，可与使用SD卡的数字相机、PDA掌上电脑和MP3音乐播放器共同使用。Mini SD的大小只有SD卡的37%，但是却拥有与SD存储卡一样的读／写效能与大容量，并与标准SD卡完全兼容，通过附赠的SD转接卡还可当作一般SD卡使用。

micro SD（TF）卡

Micro SD卡又叫TF卡，即微型的SD卡。TF卡和SD卡的信号基本相同，只是TF卡体积更小，一般应用于手机中。在超小型存储卡产品上，SD协会率先将T-Flash纳入其家族，并命名为Micro SD。超小体积却拥有着更大的优势，可以运用于各类的数码产品，不浪费产品内部设计的空间，令产品设计者所喜爱，对于精致化数码生活也起到了“推波助澜”的作用。

Memory Stick（记忆棒）

在1998年9月索尼推出Memory Stick记忆棒之初，这种存储卡被用于数码摄像机及数码相机等数码影像设备的动态及静态影像数据记录 。到2003年时这项技术已经被广泛运用在包括个人电脑、音响、电视、 手机、PDA、汽车定位系统、公众设施终端等各种各样的产品和服务中。

索尼原创的串行介面使记忆棒的设计留有更大的改革空间，而且能够与未来更高容量的记忆棒及其相关产品保持极大的兼容性。内置预防资料删除保险装置 ，有效确保所需资料不会被其他资料意外覆盖以致流失。同时SONY原创的知识产权保障技术MagicGate可以防止资料遭非法盗录及干扰，此技术已应用在专用记忆棒上，再配合管理电脑硬盘平台OpenMG，能有效保障知识产权。

Memory Stick记忆棒主要有Memory Stick、Memory Stick Pro卡和Memory Stick Duo卡等类型，其主要区别在于容量和尺寸方面，如Memory Stick Pro卡容量可达到1GB，而Memory Stick Duo卡则被用于一些小型数码设备中，这种更小的存储卡使得SONY公司可以开发更小的视听设备。

XD-Picture Card（XD）存储卡

XD-Picture Card（XD）存储卡是2002年奥斯巴林和富士联合推出的一种存储卡。有极其紧凑的外形，外观尺寸为20mm x 25mm x 1.7mm，重量仅为2g。其读写速度可以达到5MB/s和3MB/S。XD存储卡最早主要应用在奥林巴斯和富士的数码相机产品中。

XD-Picture Card（XD）存储卡在2006年容量达到了8GB的超大容量，用PC卡连接器和USB读卡器可与电脑端连接，利用小型快闪卡连接器可作为数字相机的记录介质。从功能上来看它是定位于智能介质的后继模式。XD-Picture Card（XD）存储卡是名副其实的大容量、超小型的存储卡，不仅能适应数字相机进 一步小型化的需要，也能应对高画质的要求。虽然其性能可以满足大数据量写入，功耗也更低，然而相对高昂的价格在很大程度上限制了XD存储卡的发展。随着存储卡的发展，奥林巴斯和富士的数码相机也不再只采用XD存储卡作为存储介质。

应用领域

摄影中的应用

数码相机：存储卡可为大型文件提供快速传输速度，并为 4K、5K 和 8K 高级和专业相机提供理想性能。在摄影中选择存储卡，要考虑到它的读取速度/写入速度，这两个速度都是影响存储卡表现的主要因素，例如在接入电脑拷贝传输编辑文件的时候。从SD卡速度等级看，可以分为速度等级（Class2-Class10），超高速速度等级（U1和U3）以及视频速度的等级（V6-V90）。主流的存储卡都是在超高速等级U3或者视频速度等级V30，随着2020年后越来越多人在传统图文转投到视频行业了，对于视频要求更高，就需要考虑选择视频速度等级V60/V90的存储卡，针对高码率的4K/8K视频拍摄存储性能会更好。

移动嵌入式设备中的应用

手机存储卡：随着科技的发展，手机演变成了一个个人数字处理终端设备。当音乐、视频、图像等多种功能集成于手机时，存储空间成了手机最该考虑的问题。机身内存虽然可以满足部分玩家．但它的不可扩充性又限制了手机功能的应用。但机身内置大容量内存并不是适合所有用户的解决办法，而通过支持可扩展性的多媒体存储卡让用户自己根据自己的需要购买不同容量的存储卡无疑是个好办法。而且储存卡还具有读写数据方便快捷、体积小巧、可靠性高、扩展性强、方便更换等优点。

但随着安卓手机系统的升级，“小文件随机读写” 性能决定了应用运行的速度，主流旗舰机UFS3.1 的随机读写分别为 100000MB/s和70000MB/s，而micro SD卡速率远达不到要求。同时，云空间可以使用户在线听歌以及看视频，5G时代下载读写速率至少要达到 640MB/s 以上，这也使得micro SD卡更加无法使用，所以现在市场上的主流手机已全部取消了存储卡扩展卡槽，micro SD卡也渐渐淡出了视野。

便携式电脑存储卡：在电脑中使用的主要是遵循电脑存储卡协会标准的CF卡和CF+卡，拥有较高的数据存储容量及很多I/O功能。虽然CF+卡及CF卡只有火柴盒大小，但是它们也能够嵌入在PC卡II型及Ⅲ型的插槽中使用。CF存储卡在True IDE模式下运行能与IDE磁盘驱动器兼容。其他一些CF+卡设备如磁盘卡，也可以在TrueIDE模式下运行。CF存储卡内拥有智能控制器，可以管理接口协议，数据存储，ECC码(Error CorrectingCode)的修复，错误处理及诊断，电源管理及时钟控制。CF卡被主控器设置后，可被主控器当作标准的ATA磁盘使用。

CF卡在很小的体积内集成了控制装置、Flash Memory阵列和读写缓冲区。实际上，控制装置起到了协议转换的作用，将对Flash Memory的读/写转化成对ATA协议控制器的访问。CF卡对于缓冲区的设计使用了一种双缓冲结构，在外部设备和CF卡通信的同时，使CF卡的片内MCU可对Flash Memory阵列进行读写。这种设计可以增加CF卡数据读写的可靠性，同时提高数据通信的速率。

其他应用

工业存储卡：存储卡在消费类产品和工业环境中都得到了广泛使用，但热管理在工业应用中极为重要。它通过限制数据速率以确保发热量保持在限制范围内，而不会对系统性能产生太大影响。此外，还应使用支持 -40℃ 至 +85℃ 工业温度范围的 NAND 闪存，并且该闪存还需要支持交叉温度（写入和读取时的温度不同）。同时，工业级产品的使用寿命通常会比消费级产品高出数倍。供能系统或铁路控制系统中的控制器在现场使用多年的情况并不少见，因此直到如今仍然需要可用于更换的存储卡。Compact Flash卡最初用作数码摄影的存储，后来进入了铁路控制系统、网络系统等设备。与普通SD存储卡相比，CF卡具有更高的存储容量、更佳的触点保护能力以避免误触和污染等风险、更高效的散热以及更易于使用的坚固外壳。

安防监控用存储卡：安防监控的应用场景非常丰富，如室外环境监控，城市智能监控等，而高耐用存储卡也就很好的的满足了这些领域中的应用需求。如在人脸识别和车牌识别等多种AI功能中，数据处理和数据存储的要求使得 AI 摄像头有了越来越多的端点存储功能。而 AI 分析对存储卡的读写性能和可靠性又提出了新的需求。不同于家用普通摄像头简单的视频存储及回放功能，AI 摄像头在前端需要存储大量图像底库，在存储视频的过程中可以同时利用这些底库图像对视频进行分析对比，这其中重要视频的截图会被保存并上传云端。在整个过程中，视频和图片的储存、计算及上传的过程都对存储卡读写性能（读写速度及速度的稳定性）和使用寿命有非常高的要求。

小型设备用存储卡：在MP3、MP4和录音笔等小型设备中也会用到存储卡，其主要使用的是体积较小的MicroSD卡，可以用来储存个人数据，例如数字照片、MP3、游戏和个人数据等。还在内设置版权保护管理系统，让下载的音乐、影像及游戏受保护同时还具有加密功能。

GPS存储卡：通过将地图等数据收集存储到SD卡当中，来实现在恶劣天气和交通拥挤的情况下实现快速调用GPS，这样一来，既方便了相关人员对GPS产生的有用数据进行查看与分析，又做到了合理配置交通信号的目的。数据的采集终端为SD卡，交通信号的改变数据存入SD卡。同时SD卡经交通部门有关人员更换后，利用PC机对某段时间该地点数据整合，可通过连续一周或者一个月的数据的分析来对交通灯各时段的读秒合理分配，规划出新的配置方案，实现对路口交通状态的优化。

结构

存储卡基础结构大致相同，本章节以SD卡为例介绍其结构相关内容。

物理结构

SD卡本身就是一个小型的嵌入式系统，在卡的内部集成有对外的接口电路、SD卡控制器、寄存器以及大容量的Flash存储器。SD卡的物理接口层包括最底层的物理对接方式以及实现字节数据的传输交换；而SD卡操作命令层实现的是外部控制器与SD卡内部控制器在命令层上的对接，它构成了对SD卡操作的核心；文件系统层是建立在SD卡命令操作层上的，它体现的是SD卡内部存储器的逻辑组织结构，通常需要通过文件系统来定义、保存和查找相关的数据，这样才能使SD卡与通用PC平台上Windows系统兼容，采用直接读取FAT文件的方式来操作SD卡。

外部接口

SD卡对外有9个引脚，通过这9个引脚SD卡可以工作在两种接口方式下：SDIO方式和SPI方式。SDIO方式是为高速设备设计的，在此方式下的数据通信线有4根（DAT0～DAT3），通信时钟频率最大可达50MHz,比SPI方式快。而SPI方式则与通用标准SPI总线兼容，使用全双工两线方式（DO、DI），通信时钟频率最大可达到25MHz。

工作原理

本章节以SD卡为例介绍存储卡工作原理相关内容

工作模式

SD卡有两种工作模式，分别是：SDIO模式和SPI模式。在SDIO模式下，SD卡共使用到CLK、CMD、DAT[3：0]这6根信号线，SDIO总线与多张SD卡连接时，可以共用CLK时钟信号线，对于CMD、DAT[3：0]信号线，每张SD卡都要独立连接。在SPI模式下，SD卡共使用到CS（DAT[3]）、CLK、MISO（DAT[0]）、MOSI （CMD）这4根信号线，SPI总线与多张SD卡连接时，除CS片选信号线不可共用外，其他信号均可共用。

工作原理

SD卡在进行正常读写前，必须先对SD卡进行初始化。SD卡的初始化流程就是向SD卡写入命令，使其工作在预期的工作模式。同样的，在对SD卡进行读写操作时，要先对SD卡发送写命令和读命令。

SD卡初始化流程

• SD卡完成上电，在上电同步期间，片选CS引脚和CMD引脚为高电平；

• 拉低片选CS引脚，发送命令CMD复位SD卡，完成后等待SD卡返回响应数据；

• SD卡返回响应数据后，等待8个时钟周期在拉高片选CS信号并判断返回的响应数据，若该期间CS片选为低电平，则SD卡进入SPI模式；

• 拉低片选CS引脚，发送命令查询SD卡版本号，完成后等待SD卡返回响应数据；

SD卡写流程

• 拉低片选CS引脚，发送命令CMD读取单个数据块，完成后等待SD卡返回响应数据；

• SD卡返回正确的响应数据后，等待8个时钟周期开始发送数据头；

• 数据头发送完成后，开始发送512字节的数据；

• 数据发送完成后，发送两个字节的CRC检验数据，完成后等待SD卡响应；

• SD卡返回响应数据后进入写忙状态，此时不允许其他操作；

• 拉高片选CS引脚电平，等待8个时钟周期后允许进行其他操作；

SD卡读流程

• 拉低片选CS引脚，发送命令CMD读取单个数据块，完成后等待SD卡返回响应数据；

• SD卡返回正确的响应数据后，开始解析数据头；

• 解析完数据头后，开始接受SD卡返回的512字节数据；

• 拉高片选CS引脚电平，等待8个时钟周期后允许进行其他操作；

相关事件

2006年10月26日台湾电子时报发表一则新闻，称台湾控制芯片厂生产的存储卡控制芯片存在兼容性问题，可能会使存储卡出现数据丢失。国内媒体纷纷出现大量报道，称台湾品牌SD卡存在该问题。而且，此次由控制芯片引发的质量事件，在欧美市场已经引发了大范围的退货求偿风潮，为了转嫁风险和快速抛售大量有质量问题的SD存储卡库存，亚洲市场(主要是中国、印度和其他东南亚市场)成了主要的抛货对象，抛货数量达千万片之巨。11月14日，《21世纪经济报道》中，控制芯片产品约75%出货量的台湾慧荣科技股份有限公司负责人虽然否认了“问题芯片导致SD存储卡降价抛货千万片”的消息，但他同时也表示的确有存储卡公司在量产前的测试中发现了问题 ，而且“的确有一批不兼容的控制芯片流到市场上，但是数量没有传说中的那么多，仅有几十万颗”。

2019年5月24日《日经亚洲评论》报道，制定无线技术标准的Wi-Fi联盟和制定SD存储卡标准的SD协会均将华为移出了会员名单。在给媒体的回复信中，该协会证实自己“正在遵守美国商务部的命令”。华为发言人就此事表示，“在华为的智能手机上使用SD卡不会受到影响，消费者可以继续购买和使用这些产品。5月29日，澎湃新闻记者从SD存储卡标准的“SD协会”（SDA）的官网看到，该协会的成员名单中重新出现了“华为公司”的名字。这也意味着SD协会恢复了华为的成员资格。