mini|SD-Karte in einer Spiegelreflexkamera
Eine SD-Karte (von ) ist ein digitales Speichermedium, das nach dem Prinzip der Flash-Speicherung arbeitet.
Die SD-Karte wurde im Jahr 2001 von SanDisk, Toshiba und Panasonic auf Basis des MMC-Standards v2.11 entwickelt. Der Name leitet sich von Hardware-Funktionen für die Digitale Rechteverwaltung (DRM) ab. Mittels eines im geschützten Speicherbereich abgelegten Schlüssels soll die Karte das unrechtmäßige Abspielen geschützter Mediendateien verhindern. Die Verschlüsselung erfolgt nach dem CPRM-Verfahren des 4C Entity Konsortiums, das in ähnlicher Weise (CPPM) auch bei DVD-Audio benutzt wird.
Die industrielle Spezifikation steht unter Verschluss und kann nur von den zahlenden Lizenznehmern der SD-Karten-Vereinigung eingesehen werden. Diese Vereinigung hatte nach eigenen Angaben 2020 weltweit etwa 900 Mitglieder mit 460 Handels- bzw. Firmenmarken. Unabhängig davon ist jedoch ein Teil der Zugriffsprotokolle ohne Zugang zum geschützten Speicherbereich offengelegt. Eine internationale Norm durch Gremien der IEC oder der ISO existiert nicht.
Vom Host (Kartenlesegerät, Digitalkamera, Handy usw.) kann entweder mit dem Serial Peripheral Interface (SPI) oder dem proprietären SD-Bus-Protokoll auf die SD-Karte zugegriffen werden (siehe dazu mehr unter Schnittstelle). Das SPI unterstützt im Gegensatz zum SD-Bus-Modus jedoch weder neuere Funktionen noch eine Übertragungsgeschwindigkeit entsprechend der Geschwindigkeitsklasse der benutzten SD-Karte.
Abmessungen mini|SD-Speicherkarten. Von oben: SD Card, miniSD, microSD (bis 2005 TransFlash)
SD-Karte Die Speicherkarte besitzt einen integrierten Controller, ist 24 mm × 32 mm × 2,1 mm groß und hatte ursprünglich eine Kapazität von 8 Megabyte. Nachfolgende Modelle verdoppelten den Speicherplatz jeweils (16, 32, … MB), so dass Kapazitäten von bis zu 1 Terabyte verfügbar sind. Ausnahmen von diesem Schema existieren allerdings ebenso.
An der Seite einer SD-Karte befindet sich ein kleiner Schieber für den Schreibschutz. Die Stellung dieses Schiebers kann durch einen Schaltkontakt im Kartenhalter erfasst und per Geräte-Software ausgewertet werden. Wenn der Schieber in Richtung Kartenkontakte steht, signalisiert das die Freigabe für Schreibzugriffe. Die Stellung des Schiebers wird nicht von der Karte selbst erkannt, die Karte kann also nicht selbst Schreibzugriffe verweigern, wenn der Nutzer diesen Wunsch mittels Schieber ausdrückt, sondern es liegt stets in der Gewalt des Schreib-Lese-Gerätes, diesen Nutzerwunsch zu realisieren.
miniSD-Karte 140px|mini|links|Logo der miniSD-Karte Für kleine Geräte wurde die miniSD entwickelt. Sie ist mit etwa halb so groß wie die SD-Card. Diese kleinen Karten wurden mit einer Speicherkapazität bis 16 GB (miniSDHC) angeboten. Mit Hilfe eines häufig beim Kauf mitgelieferten Adapters können sie auch in normalen SD-Einschüben benutzt werden. Da die Produktion seit September 2009 eingestellt ist, ist die Karte aus dem Verkauf verschwunden. Insgesamt waren Geräte, die mit miniSD-Karten betrieben werden, nicht sehr verbreitet. Sie können stattdessen microSD-Speicherkarten über einen Adapter benutzen.
microSD-Karte
140px|mini|links|Logo der microSD-Karte Die microSD-Karte (ehemals unter dem Namen TransFlash bekannt) ist nochmals kleiner als die miniSD. Mit hat sie gerade die Größe eines Fingernagels und war 2011 die kleinste Flash-ROM-Speicherkarte der Welt. Die erste für den Massenmarkt produzierte microSD-Karte mit einer Speicherkapazität von 1 TB erschien im April 2019 von Sandisk und war für ca. 500 € erhältlich. Die Leserate wurde vom Hersteller mit 160 MB/s angegeben, die Schreibrate mit 90 MB/s. microSD-Karten nach dem UHS-II-Standard verfügen über eine Reihe zusätzlicher Kontakte.
Adapter microSD-Karten lassen sich auf das miniSD- oder SD-Kartenformat adaptieren, ebenso miniSD auf SD. Adapter auf das SD-Format werden bei den kleineren Karten meist mitgeliefert. Sie ermöglichen die elektrische Verbindung zwischen den Kontakten und enthalten keine elektronischen Bauteile. Zum Adaptieren auf andere Speicherkartentypen gibt es Adapter mit elektronischen Bauteilen.
Schnittstelle Befehlsschnittstelle Die Befehlsschnittstelle ist eine Erweiterung der MMC-Schnittstelle v2.11. SD-Karten fehlt die Unterstützung für einige Befehle im MMC-Protokoll. Wenn vom Host nur Befehle verwendet werden, die von beiden Standards unterstützt werden, kann ein Hostgerät sowohl SD- als auch MMC-Karten verarbeiten.
SD-Karten und Host-Geräte kommunizieren zunächst über eine 1-Bit-Schnittstelle, bei der das Hostgerät ein Taktsignal bereitstellt, das einzelne Bits in und aus der SD-Karte schiebt. Das Hostgerät sendet dabei 48-Bit-Befehle und empfängt Antworten. Die Karte kann signalisieren, dass eine Antwort verzögert wird, aber das Hostgerät kann den Dialog abbrechen.
Durch verschiedene Befehle kann das Hostgerät den Typ, die Speicherkapazität und die unterstützten Funktionen der SD-Karte auslesen; der Karte befehlen, eine andere Spannung, eine andere Taktfrequenz oder eine erweiterte elektrische Schnittstelle zu verwenden; einen Block für einen Schreibbefehl reservieren, Daten für eine Schreiboperation auf diesen Block senden; den Inhalt eines Blocks anfordern und auslesen. Alle SD-Kartenfamilien verwenden zunächst eine elektrische 3,3-Volt-Schnittstelle. Auf Befehl können SDHC- und SDXC-Karten auf 1,8-V-Betrieb umschalten, sofern sie dafür ausgestattet sind.
Beim ersten Einschalten oder Einlegen der Karte wählt das Hostgerät entweder den SPI-Bus- oder den synchronen 1-Bit-SD-Bus-Modus mit dem Spannungspegel an Pin 1 aus. Danach kann das Hostgerät, sofern die SD-Karte das unterstützt, den Befehl zum Wechseln in den 4-Bit-SD-Bus-Modus ausgeben. Je nach Kartentyp ist die Unterstützung des 4-Bit-SD-Bus-Modus optional oder obligatorisch.
Nachdem das Hostgerät festgestellt hat, dass die SD-Karte es unterstützt, kann es der SD-Karte auch befehlen, auf eine höhere Übertragungsgeschwindigkeit umzuschalten. Bis zur Bestimmung der Funktionen der Karte sollte das Hostgerät keine Taktfrequenz von mehr als 400 kHz verwenden. Andere SD-Karten als SDIO haben eine Default-Speed-Taktrate von 25 MHz. Das Hostgerät muss nicht die maximale Taktrate verwenden, die die Karte unterstützt. Es kann mit weniger als der maximalen Taktrate arbeiten, um Strom zu sparen. Zwischen Befehlen kann das Hostgerät das Taktsignal deaktivieren.
Übertragungsmodi Die SD-Spezifikation definiert im SD-Bus eine 4-Bit-Übertragung. Durch das parallele Übertragen mehrerer Bits mit jedem Taktimpuls wird eine entsprechend erhöhte Übertragungsrate erreicht. Bei erweiterten SD-Familien wurde auch die Geschwindigkeit erhöht, indem höhere Taktfrequenzen, Double Data Rate (DDR) und Low Voltage Differential Signaling (LVDS) angeboten wird.
Karten können verschiedene Kombinationen der folgenden Bustypen und Übertragungsmodi unterstützen. Der SPI-Busmodus und der 1-Bit-SD-Busmodus sind für alle SD-Familien obligatorisch. Sobald das Host-Gerät und die SD-Karte einen Busschnittstellenmodus ausgehandelt haben, ist die Verwendung der Pins der ersten Reihe für alle Kartengrößen gleich. SPI-Bus-Modus Der Serial Peripheral Interface Bus wird hauptsächlich von eingebetteten Mikrocontrollern verwendet. Dieser Bustyp unterstützt nur eine 3,3-Volt-Schnittstelle. Das ist der einzige Bustyp, für den keine Host-Lizenz erforderlich ist. Hosts (Lesegeräte) mit SPI-Modus unterstützen i. d. R. die anderen Modi nicht. 1-Bit-SD-Bus-Modus Separater Befehls- und Datenkanal und ein proprietäres Übertragungsformat. Hosts mit diesem Modus unterstützen aufgrund der höheren Datenrate i. d. R. den SPI-Modus nicht. 4-Bit-SD-Bus-Modus Verwendet zwei zusätzliche Pins sowie einen neu zugewiesenen Pin. Es ist das gleiche Protokoll wie beim 1-Bit-SD-Bus-Modus, jedoch werden statt nur einer nun vier Datenleitungen verwendet, wodurch die Datenübertragungsrate erhöht wird. Alle SD-Karten unterstützen diesen Modus. Er wird entsprechend der Datenübertragungsrate, welche i. d. R. durch höhere Taktfrequenz erreicht wird, auch in DS () mit 25 MHz, HS () mit 50 MHz und UHS-I () mit bis zu 208 MHz unterteilt. UHS-I verwendet einem Fall DDR zur Erhöhung der Datenrate. Auch UHS-II und UHS-III erfordern diesen Bustyp. UHS-II-Bus-Modus benutzt eine zusätzliche elektrische Schnittstelle (siehe UHS-II-Bus-Interface). Sie besteht aus drei Leitungspaaren (): RCLK, D0 und D1 und verwendet zwei LVDS-Schnittstellen (Bitraten-Segmente) zum Übertragen von Befehlen und Daten. UHS-III-Bus-Modus Die UHS-III-Schnittstelle ist mit UHS-II kompatibel. Sie besteht ebenfalls aus drei differenziellen Signalleitungspaaren (): RCLK, D0 und D1. Befehls-, Daten- und andere Pakete oder Symbole werden von den Leitungen D0 (im Wesentlichen vom Host zur SD-Speicherkarte) und D1 (im Wesentlichen von der SD-Speicherkarte zum Host) übertragen. In UHS-III stehen vier Bitraten-Segmente zur Verfügung, die als Bereiche bezeichnet werden. Die Bereiche A und B wurden bereits in UHS-II eingeführt. SD-Express Modus Der SD-Express Modus benutzt das PCIe-Protokoll zur Datenübertragung.(siehe Tabelle #Busgeschwindigkeiten)
Anschlüsse SD-Bus-Interface Die physische Schnittstelle bis einschließlich UHS-I (SD Bus I/F) besteht aus neun Pins; von den elf Pins bei der miniSD-Karte sind zwei nicht verbunden und bei der microSD-Karte entfällt einer der beiden Masse-Pins. Die Kontakte (SD-Karten 9 Pins, miniSD-Karten 11 Pins und microSD-Karten 8 Pins) sind in einer Reihe an der Unterseite der Karte. + Pin-Belegung Pin SD-Bus-Modus SPI-Modusmini|links|Pins von SD, miniSD und microSD SD miniSD microSD Name Typ Beschreibung Name Typ Beschreibung 1 2 CD / DAT3 I/O/PP Kartenerkennung / Datenleitung [Bit 3] CS I Chip Select (active low) 2 3 CMD PP Befehl und Antwort DI/MOSI I Data In / Master Out Slave In 3 – GND1/VSS1 S Masse GND/VSS S Masse 4 VDD S Stromversorgung (DC 2,7…3,6 V) VDD S Stromversorgung (DC 2,7…3,6 V) 5 CLK I Takt SCLK I Takt 6 GND2/VSS2 S Masse GND2/VSS2 S Masse 7 DAT0 I/O/PP Datenleitung [Bit 0] DO/MISO O/PP Data Out / Master In Slave Out 8 DAT1 I/O/PP Datenleitung [Bit 1] RSV reserviert 9 1 DAT2 I/O/PP Datenleitung [Bit 2] – 10 – NC reserviert – 11 – NC
UHS-II-Bus-Interface UHS-II- und UHS-III-Speicherkarten haben zusätzlich zum SD-Bus-Interface das UHS-II-Bus-Interface. Die erste Kontaktreihe beinhaltet wie bisher das SD-Bus-Interface und unterstützt alle Modi bis einschließlich UHS-I. SD-Karten des Standards UHS-II und UHS-III haben in einer darunterliegenden Reihe weitere acht Pins (Bus UHS-II I/F) Bei Full-Size-Karten ist das Pin 10–17. Sie beinhalten die LVDS-Schnittstelle. Statt der bisherigen 1,8- bzw. 3,3-V-Signale wird mit 26 bis 52 MHz Referenztakt und Multiplikatoren mit 0,4 V Signalspannung gearbeitet, wodurch die Leistungsaufnahme der Karten enorm gesenkt wurde. Nach Umschaltung in den UHS-II- bzw. UHS-III-Modus werden von der ersten Kontaktreihe nur noch die Kontakte 4, 7 und 8 zur Stromübertragung bzw. Signalgebung benutzt.
PCIe-Bus-Interface SD-Express-Speicherkarten haben zusätzlich zur SD-Bus-Schnittstelle eine PCIe-Bus-Schnittstelle. Die erste Kontaktreihe beinhaltet wie bisher die SD-Bus-Schnittstelle und unterstützt alle Modi bis einschließlich UHS-I. Die zweite und ggf. die dritte Kontaktreihe umfassen die physische PCIe-Bus-Schnittstelle. Die zweite Kontaktreihe ist äußerlich identisch mit den Pins der UHS-II-Bus-Schnittstelle; beide Schnittstellen sind jedoch nicht zueinander kompatibel, so dass die Modi UHS-II und UHS-III von diesen Karten nicht unterstützt werden. Wird eine solche Karte in einem UHS-II oder UHS-Gerät verwendet, so beschränkt sich der Datenaustausch auf die langsamere UHS-I Schnittstelle.
Ausstattungsextras USB-Anschluss Seit 2005 gibt es auch SD-Karten, die über einen USB-Anschluss verfügen und ohne Adapter oder Speicherkartenlesegerät an eine USB-Buchse des Typs A angeschlossen werden.