SD 存储卡工作原理

SD card
安全数字 (SD) 卡是符合 SD 协会设定的标准的闪存卡。
Hemera/Thinkstock

如今市面上许多笔记本电脑和移动设备都内置了安全数字存储卡(通常简称为 SD 卡)插槽。SD 卡是一种存储设备,根据其使用方式和地点,具有许多有用的功能。以下是一些您可能已经在使用 SD 卡的常见方式:

  • 您可以将 SD 卡添加到小型设备(如手机)中,以扩展铃声、短信、应用程序、音乐和其他数据可用的存储空间。
  • 当您相机中的一张 SD 卡满了照片和视频时,您可以将其更换为一张空的 SD 卡,而无需删除任何文件。
  • 您可以将文件保存到 SD 卡中,以便在设备之间传输或将其提供给其他人。

SD 卡符合安全数字协会制定并维护的标准。松下、闪迪和东芝于 2000 年 1 月成立了 SD 协会,旨在开发和推广闪存存储标准。闪迪的技术已经在闪存产品领域处于全球领先地位,并成为新标准的模板。

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SD 协会总部位于加利福尼亚州圣拉蒙,本身不生产或销售任何产品。然而,全球 1000 多家协会成员(主要是主要电子产品制造商)目前正在为 SD 标准的持续改进做出贡献。这些标准涵盖 SD 卡本身,以及用于读写 SD 卡的硬件和设备驱动程序。

在日常对话中,您可能使用过其他词语,例如存储卡或闪存,来描述 SD 卡。然而,“存储器”这个词可能会误导一些人,因为它也用于指随机存取存储器(RAM),它在计算中扮演着完全不同的角色。“闪存”这个词描述了数据保存到 SD 卡内部固态材料的方式,您可以在《闪存工作原理》一文中阅读相关内容。在这里,我们将使用术语“SD 卡”,因为我们指的是符合 SD 标准并带有 SD 协会商标的闪存设备。

在本文中,我们将深入探讨 SD 卡的各种外形尺寸、容量和速度,并了解安全数字卡的特点、优势和挑战。让我们从目前可用的 SD 卡类型开始。

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SD 卡类型

Differently sized SD cards
SD 卡有标准尺寸和容量格式,并来自各种制造商。图中显示的是一张标准 SD 卡、两张 SDHC 卡和一张 microSDHC 卡。
摄影:Stephanie Crawford

乍一看,SD 卡是一个小而扁平的矩形物体,一侧带有一个凹口,另一侧嵌入了称为引脚的铜线。但它们有几种不同的外形尺寸。以下是您会看到的 SD 卡物理尺寸:

  • 32 x 24 毫米,厚 2.1 毫米 - 这是您会看到的最常见尺寸。此尺寸有九个引脚,一侧带有一个写保护开关,可在只读和读写状态之间切换。
  • 20 x 21.5 毫米,厚 1.4 毫米 - 这是带有 11 个引脚的“迷你”版本,它不如其他两种尺寸常见。
  • 15 x 11 毫米,厚 1 毫米 - 这是带有八个引脚的“微型”版本。因为它非常小,这种尺寸在智能手机等移动设备中很受欢迎。

标准化的不仅仅是卡的物理构造。SD 卡还具有不同的容量。以下是按从旧到新顺序列出的 SD 卡容量格式:

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  • SD - 标准格式,每张卡容量高达 2 GB,提供所有三种尺寸,10 美元以下
  • SDHC - 高容量格式,每张卡容量 4 到 32 GB,提供所有三种尺寸,10 到 100 美元
  • SDXC - 扩展容量格式,每张卡容量 32 GB 到 2 TB,仅提供较大和微型尺寸,起价约 80 美元

这就是三种容量格式,每种格式有两种或三种尺寸。要读取和写入卡上的数据,您需要能够处理所示尺寸因素和容量等级的读卡器硬件。此外,如果您使用的是迷你或微型卡,但有大型读卡器,您可以将较小的卡插入一个特殊适配器,该适配器的形状与大型卡相同。一些 SD 卡制造商甚至将 microSDHC 卡与 SDHC 尺寸的适配器一起销售,以便更轻松地在设备之间移动卡。

这就是您需要谨慎的地方。例如,如果您有一台使用 SD 格式卡的旧数码相机,即使 SDHC 卡适合相机,它也可能无法工作。请检查您的硬件规格,了解您的设备支持哪些容量格式。然后寻找带有与您所需容量-尺寸组合相对应的 SD 标志的卡。您可以在 SD 协会网站此处查看所有这些标志。

除了这些 SD 卡类型之外,在购买 SD 卡时您可能还需要了解另一个分类:它的速度。接下来,让我们看看哪些活动需要更高的 SD 卡速度,以及 SD 协会如何根据速度对卡进行分类。

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速度等级和 UHC 速度等级

您在 SD 卡上会看到的另一个衡量标准是它的速度。如果您只是存储文件或拍摄静态照片,速度并不是非常重要。然而,在拍摄和播放视频时,特别是高清 (HD) 视频时,速度非常重要。当您拥有更高速度的 SD 卡时,您可以捕捉更高质量的视频并实现更流畅的播放。

SD 协会有两个与速度相关的标准:速度等级(Speed Class)和超高速(UHS)速度等级。这两个标准不兼容,因此请务必使用适合您的录制设备的标准。让我们仔细看看每个等级以及如何确定 SD 卡能够达到的速度。

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速度等级适用于所有 SD 卡。您会在 SD 卡的 SD 标志旁边看到它的速度等级,它是一个圆形“C”形内的数字。以下是 SD 协会定义的速度等级以及通常与这些等级相关的视频录制和播放质量:

  • 2 - 标清 (SD),最大速度 12.5 MB/秒
  • 6 或 4 - 高清 (720p, 1080i, 1080p),最大速度 25 MB/秒
  • 10 - 全高清 (1080p),最大速度 25 MB/秒

超高速 (UHS) 速度等级适用于具有 UHS-I 总线接口的 SD 卡。这意味着 SD 卡的电路设计使其能够以高达 312 MB/秒的速度读写内存。UHS SD 卡的包装上可能会显示速度等级以及一个额外的等级,该等级写成一个“U”形内的数字。然而,在卡本身上,UHS 速度等级由 SD 标志右侧的罗马数字“I”表示。

既然您已经了解了 SD 卡的速度和容量,那么让我们看看是什么让安全数字卡“安全”。

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安全数字的安全性

是什么让 SD 存储卡变得安全?所有 SD 卡都具有 SD 标准数据类型的版权保护。这使得商业分销商可以将音乐或其他媒体放入设备中,从而保护其免受非法复制。这项 SD 卡功能背后的技术称为可录媒体内容保护 (CPRM)。

CPRM 由 4C Entity, LCC 开发,该组织负责 IBM、英特尔以及 SD 联合创始人松下和东芝的版权保护许可。4C Entity 还开发了相关技术预录媒体内容保护 (CPPM),该技术与用于音乐的 DVD-Audio 格式相关。CPRM 和 CPPM 通常与闪存和 DVD 媒体格式相关联。

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CPRM 不会因为您使用 SD 卡而自动生效。为了使数据受到 CPRM 保护,写入数据的设备必须首先在 SD 卡上创建媒体标识符和媒体密钥块 (MKB)。媒体标识符和 MKB 被写入 SD 卡的一个物理区域,称为“受保护区域”。存储在受保护区域的数据无法通过 SD 卡的文件系统访问,但任何支持 CPRM 的设备在读取 SD 卡时都可以将其用于内容保护操作。

为了使用 CPRM 保护数据,设备使用媒体标识符和 MKB 在将数据写入 SD 卡时对其进行编码。为了读取数据,支持 CPRM 的设备访问媒体标识符和 MKB,并使用它们在从 SD 卡读取数据时对数据进行解密。因此,即使您从 SD 卡的文件系统复制受 CPRM 保护的文件,您也无法在该 SD 卡之外读取它们。

除了 CPRM 之外,您还会注意到 32 x 24 毫米的 SD 卡(SD、SDHC 和 SHXC)上有一个额外的安全功能:写保护锁。该锁是 SD 卡一侧的一个小滑块。在解锁位置,您可以像使用 USB 驱动器或任何其他读写存储设备一样对 SD 卡进行读写。在锁定位置,SD 卡将不允许对其文件系统进行任何更改,使其成为只读设备。如果您担心在笔记本电脑或台式机上读取 SD 卡时意外覆盖相机中的数据,您可以使用此功能。

到目前为止,我们已经重点介绍了与 SD 卡相关的容量、速度和安全性。在下一页,我们将揭开塑料盖子,看看内部的技术。

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SD 卡内部

An SD card split open
里面有什么?这是闪迪 2 GB 标准 SD 卡的内部结构。
摄影:Stephanie Crawford

SD 卡是一种固态设备。这意味着它没有移动部件即可运行。这比旧的便携式存储设备有了很大的改进。例如,软盘内部有脆弱的磁盘,它们高速旋转,放置在磁场附近时容易丢失数据。CDDVD 更大、更不耐用,并且在大量重写后其存储能力会迅速下降。与这些前辈相比,SD 卡的组件是其电路的一部分,并且其封装小巧耐用。

说到耐用性,我们为本页的图片拆开了一张 SD 卡。这并不容易,这证明了前面提到的耐用性。不过,迷你和微型尺寸的卡更精致,您仍然不希望将 SD 卡存放在可能弯曲、碎裂或损坏的地方。

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SD 卡内部是包含闪存的电路。在我们的文章《闪存工作原理》中,我们介绍了该电路如何控制在闪存芯片上写入或擦除数据时的电流。尽管每张 SD 卡都符合外形尺寸、容量、速度和通用输入/输出接口的标准,但不同的 SD 卡制造商在设计闪存和内部支持组件时采用不同的方法。

为了符合标准,每张 SD 卡都预先格式化为文件分配表 (FAT) 文件系统,该系统与几乎所有可能希望访问该系统中文件的操作系统兼容。有时,您可能需要重新格式化 SD 卡,要么是为了“清零”数据以彻底擦除所有数据,要么是在文件系统损坏后恢复文件系统,这可能在关键读写操作期间移除卡时发生。当您需要重新格式化时,SD 协会建议使用其此处提供的 SD Formatter 软件。其中一个原因是第三方磁盘格式化程序可能未考虑 SD 卡 CPRM 功能中使用的受保护区域。

到目前为止,我们已经研究了 SD 卡硬件及其工作原理的技术方面。接下来,让我们探讨使用 SD 卡和读卡器时遇到的一些挑战。

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使用 SD 硬件的挑战

Micro SD card inside a phone
microSD 卡可能难以处理。这是一个智能手机内部的 microSD 卡,小心翼翼地藏在一个小金属支架下,旁边是 microSD 标志。
Stephanie Crawford

SD 卡有很多优点。它们小巧、耐用,并且可以在成千上万种设备中使用。然而,它们也存在一些挑战和缺点。

一个缺点是闪存技术的已知局限性。根据发明这项技术的东芝公司称,固态 SD 卡中的存储单元在硬件无法保留或更新数据之前,只能进行大约 10,000 次写入/擦除循环。尽管这是一个已证实的限制,但对您来说很少会成为主要问题,因为它相当于每天完全写入和擦除整张卡的内容,持续 27 年。[来源:东芝]

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或许比数据寿命更重要的是处理物理卡的挑战。尽管每张 SD 卡都很坚固,但它可能会从口袋里掉出来,滑入狭窄的缝隙,在纸堆中丢失,或者在被踩到或浸入液体中时受到无法修复的损坏。将 SD 卡插入和取出读卡器也可能很棘手,尤其是迷你和微型卡。如果 SD 卡从您使用的设备中突出,移动设备时也要小心。为了应对这些挑战,请始终小心处理卡片,在使用时注意其位置,并在不使用时保护好它。

SD 卡的另一个挑战是确保您为设备选择了正确的类型。选择您需要的尺寸很容易;通常您只需查看 SD 卡插槽,即可知道需要哪种尺寸。但是,您还需要选择与您的设备兼容的容量和速度。当您在商店里看到一墙的 SD 卡,并试图选择最划算的一款时,这可能很棘手。解决这个挑战的最佳方法是了解您的设备可以处理哪些 SD 卡(包括最低和推荐),以及您所需标准的 SD 标志是什么样子:SD、miniSD、microSD、SDHC、miniSDHC、microSDHC、SDXC 和 microSDXC。

SD 卡的最后一个挑战是无论您使用何种技术都无法避免的:旧标准趋于过时并被新标准取代的趋势。对于 SD 卡本身来说,这问题不大,因为新的读卡器可以读取旧的卡。更大的挑战在于使用 SD 卡的设备。要继续使用旧设备,您需要找到符合旧标准的卡。不过,SD 还没有淘汰任何标准,因此这些旧标准卡还会有一段时间可用。

鉴于 SD 卡技术有如此多的优势,它的未来会是怎样?让我们在下一页进行探讨。

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SD 卡的未来

Laptop with SD-card slot
一些笔记本电脑配备了 SD 读卡器,可以快速方便地读取相机和其他设备中的 SD 卡。
摄影:Stephanie Crawford

随着 SD 卡技术在数千种设备中的蓬勃发展,SD 卡将在未来多年继续存在是自然而然的结论。SD 协会继续扩展 SD 卡,随着制造商对闪存技术的改进,不断纳入新标准。截至本文撰写之时,UHS-II 正在开发中,旨在标准化 SD 卡更快的读写速度。

随着越来越多的设备添加 SD 读卡器,制造商们不禁要问:“除了闪存,这个插槽还能用于其他用途吗?”硬件接口为 SD 卡提供电源和数据交换,因此有理由认为它可以不仅仅是读写数据。认识到这一需求,SD 协会开发了 SDIO 卡接口。通过为设备添加 SDIO 卡接口,制造商可以将设备改造为在现有 SD 读卡器中使用。

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以下是 SDIO 卡接口标准涵盖的部分功能:

  • 使用 802.11b Wi-Fi 或蓝牙进行无线连接
  • 通过相机和录音机进行媒体捕获
  • 扫描仪和条形码阅读器
  • 电视和广播调谐器

利用 SDIO 的一个令人惊叹的小设备是 Eye-Fi 卡。Eye-Fi 公司成立于 2005 年,拥有一项正在申请专利的技术,可以将相机中的 SD 卡槽变成直接将照片上传到网络的门户。Eye-Fi 卡包含一个 Wi-Fi 无线电和软件,旨在连接到 Wi-Fi 网络,然后使用该连接将照片上传到您的计算机或 Flickr 或 Facebook 等照片分享网站。Eye-Fi 卡的价格范围从 49.99 美元到 99.99 美元。

简而言之,由于 SD 标准的广泛采用以及这些标准的持续改进和扩展,SD 卡的未来看起来一片光明。此外,随着品牌竞争抑制价格,SD 卡的成本似乎也随着时间的推移变得更加合理。有关安全数字存储卡的更多信息,请跳转到下一页。

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常见问题

SD 卡实际有什么用?
SD 卡是一种用于存储信息的存储卡。SD 卡广泛用于许多电子设备中,例如数码相机、摄像机、笔记本电脑和智能手机。
SD 卡提供存储空间吗?
是的,SD 卡提供存储空间。

更多信息

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更多精彩链接

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  • 4C Entity, LLC. "FAQs." (Sept. 27, 2011) http://www.4centity.com/faqs.aspx
  • Eye-Fi, Inc. "About Us." (Sept. 28, 2011) http://www.eye.fi/about/us
  • Intel Corporation. "Intel and CPRM/CPPM." (Sept. 27, 2011) http://www.intel.com/standards/case/case_cp.htm
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  • Toshiba. "Toshiba America Electronic Components, Inc. Releases Performance Research on MLC NAND Flash Memory For Consumer Applications." May 20, 2004. (Sept. 27, 2011) http://www.toshiba.com/taec/news/press_releases/2004/file_04_211.jsp

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