Secure Digital

 

Этот стандарт был введён в августе 1999 года фирмами Panasonic, SanDisk и Toshiba на основе MMC-карты и стал отраслевым стандартом. В 2000 году на CES компаниями Matsushita, SanDisk и Toshiba было объявлено о создании SD Card Association.

 

SDHC (англ. Secure Digital High Capacity) — сменная карта флеш-памяти, удовлетворяющая спецификации SDA 2.00, введённой SD Card Association. SDHC стал развитием формата SD, унаследовав большинство его характеристик.

Потенциальный максимальный объём карт SDHC увеличен до 32 ГБ. Как правило, для хранения информации на картах этого типа используют файловую систему FAT32 (для SD использовалась FAT16/32).

Карты SDHC несовместимы с устройствами, изначально рассчитанными только на SD-карты. Ключевым нововведением для SDHC-карт, позволившим им превзойти объём в 4 ГБ, стало введение посекторной адресации (аналогично жёстким дискам), в то время как обычные SD-карты имеют побайтную адресацию (как оперативная память) и, соответственно, при 32-разрядном адресе могут иметь объём не более 4 ГБ.

Некоторые устройства (кардридеры, коммуникаторы и др.), рассчитанные на работу только с картами SD, после смены программного обеспечения могут «научиться» работать с SDHC, если аппаратная поддержка данных карт была предусмотрена производителем.

Также следует обращать внимание на версию реализации карты SD (SD 1.0 или SD 1.1). Если её планируется использовать в старом устройстве, поддерживающем карты памяти объёмом до 2 ГБ, убедитесь, что она выполнена в версии 1.0, а не 1.1, иначе будут возникать сбои при форматировании и при заполнении карты памяти информацией.

 

В 2009 году на CES SD Association представила новый стандарт SDXC (англ. Secure Digital eXtended Capacity), поддерживающий карты объёмом до 2 TБ и использующий файловую систему exFAT.

Также в новой спецификации добавлен четырёхбитовый режим передачи данных для карт SDHC и SDXC — так называемая шина UHS (Ultra High Speed) со скоростью передачи до 312 Мбайт/c. Карты памяти с шиной UHS также совместимы с обычным режимом передачи.

Устройства с поддержкой SDXC обеспечивают поддержку карт предшествующих стандартов SD и SDHC. Карты SDXC объёмом 64 ГБ и более можно использовать в устройствах SDHC (читать с них и записывать на них информацию), если они отформатированы в файловой системе FAT32^[1].

• SDXC-карты используют запатентованную файловую систему exFAT, разработанную компанией Microsoft. Официально поддержка кардридеров и карт стандарта SDXC заявлена для Windows Vista, Windows Server 2008, Windows 7, Windows 8, Windows 10 и Windows 11. Для поддержки exFAT в Windows XP существует обновление KB955704. В связи с прекращением поддержки Windows XP 8 апреля 2014 года обновление может быть недоступно на серверах Microsoft.
• Поддержка в Linux/UNIX реализована с помощью свободного драйвера exFAT, работающего вне ядра (FUSE)^[2]. Драйвер доступен в репозиториях большинства популярных дистрибутивов. Пользователям других дистрибутивов предлагается собрать драйвер из исходников. Также есть родная реализация от Samsung, лишённая недостатков Fuse.^[3] Реализания exFAT от компании Samsung была включена в экспериментальную секцию ядра версии 5.4.^[4]
• Обновлённый в 2011 году MacBook Pro также имеет поддержку карт памяти SDXC^[5]. Все новые устройства от Apple с Mac OS X 10.6.5 или старше поддерживают карты SDXC при наличии физического слота в устройстве.
• Android поддерживает SDXC на заводских прошивках большинства флагманов, для остальных же, как и у Linux, требуется драйвер Samsung.

 

 

microSD 64 Мбайт/microSDXC 128 Гбайт

Стандарт SDXC был утвержден в 2009 году и представляет собой формат карт памяти с большой емкостью - до 2 Тб. Однако, после утверждения стандарта он стал критиковаться из-за использования запатентованной файловой системы exFAT. Для нее нет полноценного свободного драйвера, что мешает ее использованию в свободных операционных системах. В 2010 году появился проприетарный драйвер для Linux и Android для фирм и OEM-производителей оборудования, но свободной реализации все еще не существует. Кроме того, в некоторых странах использование патентованных технологий может быть незаконным.

Если переформатировать карту в другую файловую систему, поддерживающую накопители и файлы большого объема (например, ext4 или UDF), то карта может потерять совместимость с устройствами, для которых предназначена. Это означает, что владельцы устройств, которые поддерживают только exFAT, не смогут использовать SDXC-карты, отформатированные в другую файловую систему.

В настоящее время существуют свободные драйверы для exFAT, но они ограничены в функциональности и не могут обеспечить полную совместимость. Кроме того, использование exFAT по-прежнему может вызывать юридические проблемы в некоторых странах. В связи с этим существуют усилия по разработке новых стандартов для файловых систем, которые не будут требовать использования патентованных технологий.

В 2018 году SD Association представила новый стандарт SDUC (англ. Secure Digital Ultra Capacity), поддерживающий карты объёмом до 128 TБ и использующий файловую систему exFAT. Стандарт описан в спецификации SD версии 7.0^[6].

27 июня 2018 года организация SD Association представила новый класс карт памяти SD Express в трёх разновидностях: SDUC 1 express, SDXC 1 express и SDHC 1 express (максимальная ёмкость 128 ТБ, 2 ТБ и 32 ГБ соответственно). Эти карты используют интерфейс PCI Express 4.0 и протокол NVMe 1.3 через второй ряд контактов (также присутствующий в картах UHS-II/III) для достижения скоростей до 3,94 ГБ/с^[7]. Карты express обратно совместимы с картами стандарта UHS-I^[8][9]. Внешне карты SD Express отмечены маркировкой «SD Ex».

Для миниатюрных приборов разработаны miniSD размером 20×21,5×1,4 мм и самая маленькая из всех карт — microSD, µSD (ранее известная как TransFlash, T-Flash или TF)^[10] размером 11×15×1 мм. Для карт MiniSD и MicroSD существуют переходники (адаптеры), с помощью которых их можно вставлять в любой слот для обычной SD-карты. В некоторые кардридеры miniSD и microSD могут быть вставлены без адаптера.^[11]

•  
  Переходник с microSD на SD. Своего рода классика
•  
  Устройство переходника с microSD на SD
•  
  Контакт карты памяти с контактами адаптера (показано вверх ногами)
•  
  Переходник с miniSD на SD
•  
  Переходник с microSD на miniSD
•  
  Переходник с microSD на Memory Stick PRO Duo
•  
  Картридер (переходник) microSD — USB
•  
  Переходник с SD на CompactFlash

В феврале 2019 года на выставке MWC 2019 был представлен новый формат microSD Express, который позволит увеличить скорость передачи до 985 Мбайт/c благодаря добавлению сигналов интерфейса PCIe 3.1. Новые сигналы передаются через добавленный к microSD второй ряд контактов. Карты сохранят обратную совместимость с традиционными считывателями.^[12]

 

Карта размером 24×32×2,1 мм снабжена собственным контроллером^[13][14] и специальной областью, способной, в отличие от MMC, записывать информацию таким образом, чтобы неавторизованное чтение информации было невозможно, в соответствии с требованиями Secure Digital Music Initiative^[англ.]. Этот факт был отражён в названии стандарта (Secure Digital). Для записи в защищённую область используется специальный протокол записи, недоступный для обычных пользователей. При этом карта также может быть защищена паролем, без которого доступ к записанной информации невозможен; восстановить работоспособность карты можно только её полным переформатированием с потерей записанной информации.

Карты формата Secure Digital (кроме microSD) снабжены механическим^[a] переключателем защиты от записи. В положении lock^[b] невозможны запись информации, и, соответственно, удаление файлов и форматирование карты, что позволяет избежать случайной потери информации. Однако следует учитывать, что собственно защита от записи осуществляется не самой картой, а устройством, использующим карту, и может оказаться в нём не реализованной либо намеренно отсутствовать. Например, автозагрузка резидентной программы CHDK для фотоаппаратов Canon работает, только когда карта защищена от записи.

В большинстве случаев SD можно заменить MMC-картой. Обратная замена обычно невозможна: SD толще и может просто не войти в слот для MMC.

 

Карты могут поддерживать различные сочетания следующих типов шин и режимов передачи. Режим шины SPI и однобитовый режим шин SD является обязательным для всех типов карт, как описано в следующем разделе. Нумерация выводов для всех размеров карт SD и хост-устройств является одинаковой:

• режим шины SPI: Serial Peripheral Interface в основном используется в микроконтроллерах. Этот тип шины поддерживает только 3,3-вольтовой интерфейс. Это единственный тип шины, который не требует лицензии на хост;
• однобитовый режим шины SD: отдельная шина для команды и каналов передачи данных;
• четырёхбитовый режим шины SD: использует дополнительные контакты, переназначены некоторые контакты. Для карт UHS-I и UHS-II требуется именно этот режим.

Физический интерфейс включает в себя 9 контактов, за исключением того, что для карт miniSD добавлено два несвязанных контакта в центре и microSD-карты не используют один из двух общих контактов.^[15]

 

Потребляемая мощность SD-карты зависит от её скоростного режима, производителя и модели.

Во время передачи потребляемая картами мощность может находиться в диапазоне 66—330 мВт (20—100 мА при напряжении питания 3,3 В). Для карт, созданных по технологии TwinMos, максимальная мощность потребления в режиме записи составляет 149 мВт (45 мА). По технологии фирмы Toshiba потребление составляет от 264 до 330 мВт (80—100 мА).^[16] Ток в режиме ожидания значительно ниже: менее чем 0,2 мА (карты microSD 2006 года выпуска).^[17] Если есть обмен данных в течение длительного периода, то происходит значительное потребление энергии батареи в портативных устройствах, например в смартфонах, где батареи имеют ёмкость 6 Втч (Samsung Galaxy S2, 1650 мАч при 3,7 В)).

Если хост-устройство поддерживает режим скорость шины SDR104 или UHS-II, то современные карты UHS-II могут потреблять мощность до 2,88 Вт. Максимально допустимое стандартом энергопотребление в самом малопотребляющем режиме в случае UHS-II составляет 0,72 Вт.

 

 

 

UHS (Ultra High Speed) bus — высокоскоростной протокол обмена данными, введённый в версиях стандарта 3 и 4. Спецификация требует обратной совместимости карт и контроллеров UHS с более ранними интерфейсами на Normal Speed и High Speed.^[7]

Интерфейс UHS-I определён в техническом описании версии 3.01. Скорость обмена данными по интерфейсу — 50 Мбайт/c или 104 Мбайт/c. Используются стандартные контакты, однако назначение некоторых контактов переопределено для реализации 4-битового обмена данными.

Интерфейс UHS-II определён в техническом описании версии 4.00. Скорость обмена — 156 Мбайт/c или 312 Мбайт/c. Карты этого стандарта содержат два ряда контактов — 17 для обычной карты и 16 для microSD; используется 4-битовый режим обмена. В 2013 году компании Panasonic, PNY и Toshiba представили свою первую продукцию с применением данной технологии.

Карты памяти UHS-II используются в фото- и видеоаппаратуре, игровых консолях высокого ценового сегмента и других устройствах, требующих высокие скорости обмена данными. Современные смартфоны в формате UHS-II не нуждаются.^[19]

Интерфейс шины данных	Логотип карт[20]	Логотип шины	Скорость обмена	Версия стандарта
Normal Speed		—	12,5 Мбайт/c	1.01
High Speed			25 Мбайт/c	2.00
UHS-I			12,5 Мбайт/c (SDR12) 25 MБ/с (SDR25) 50 MБ/с (SDR50, DDR50) 104 MБ/с (SDR104)	3.01
UHS-II			156 Мбайт/c (FD156) 312 Мбайт/c (HD312)	4.00/4.10[21]
UHS-III			312 Мбайт/c (FD312) 624 Мбайт/c (FD624)	6.0[22]
PCIe 3.0 / NVMe			985 Мбайт/c (FD985)	7.0[23]/7.1[24]
PCIe 4.0 / NVMe			1920 Мбайт/c (FD1920) 3938 Мбайт/c (FD3938)	SD8.0[25]

Рейтинг	Скорость (Мбайт/c)	Speed Class
16×	2,34	(13×)
32×	4,69	(27×)
48×	7,03	(40×)
100×	14,6	(67×)

По мере появления новых версий спецификаций и карт с повышенной скоростью записи производители стали указывать на картах памяти специальный множитель (подобно CD-ROM): 1× = 150 КБ/с. Простейшие карты имеют скорость 6× (900 КБ/с), самые быстрые — 633× (95 000 КБ/с).^[26] Подавляющее большинство производителей присваивает множители, соответствующие режиму чтения — скорость записи обычно ниже в два или более раза. Позднее SD Card Association^[27] ввела стандартную классификацию скоростных характеристик карт и устройств для работы с ними, так называемый Speed Class (Скоростной класс), в котором класс карты определяется по скорости записи.

Для обычных карт скоростной класс обозначается числом внутри буквы C. Для карт стандарта UHS скоростной класс обозначается числом внутри буквы U^[28]. Для карт стандарта Video Speed Class — числом справа от буквы V^[29][30][31]. Для карт стандарта Application Performance Class — числом справа от буквы A^[32].

Минимальная скорость записи	Speed Class	UHS Speed Class	Video Speed Class	Область применения
2 Мбайт/c	Class 2 (C2)	-	-	Запись видео стандартного разрешения (SD)
4 Мбайт/c	Class 4 (C4)	-	-	Запись видео высокой чёткости (HD), включая Full HD (от 720p до 1080p/1080i)
6 Мбайт/c	Class 6 (C6)	-	Class 6 (V6)
10 Мбайт/c	Class 10 (C10)	Class 1 (U1)	Class 10 (V10)	Запись видео Full HD (1080p) и серийная съёмка в HD (шина High Speed), потоковое вещание и файлы HD-видео большого объёма (шина UHS)
30 Мбайт/c	-	Class 3 (U3)	Class 30 (V30)	Запись видеофайлов с разрешением 4K c частотой 60/120 кадров в секунду (шина UHS)
60 Мбайт/c	-	-	Class 60 (V60)	Запись видеофайлов с разрешением 8K c частотой 60/120 кадров в секунду (шина UHS)
90 Мбайт/c	-	-	Class 90 (V90)

Application Performance Class определяется в SD Specification, которая выпускается SD Association. Application Performance Class 1 (A1) определен в SD Specification 5.1, A2 определен в SD Specification 6.0.^[33][34]

Application Performance Class определяет не только скорость последовательного чтения и записи, которая должна быть не ниже 10 Мбайт/c, но также требует минимального количества операций ввода-вывода в секунду для чтения и записи. Класс A1 требует минимум 1500 операций чтения и 500 операций записи в секунду, тогда как класс A2 требует 4000 и 2000 операций ввода-вывода в секунду. Карты класса A2 требуют поддержки хоста, так как они используют очередь команд и кэширование записи для достижения более высоких скоростей. При комбинации карты и хоста с поддержкой разных классов (A1 и A2) будет доступен класс A1.^[35]

Application Performance Class	Минимальная установившаяся скорость записи	Случайное чтение, минимум	Случайная запись, минимум
Class 1 (A1)	10 Мбайт/c	1500 IOPS	500 IOPS
Class 2 (A2)		4000 IOPS	2000 IOPS

Стандартной для карт SD и SDHC является файловая система FAT (до 2 ГБ включительно — FAT16, от 2 до 32 ГБ включительно — FAT32), для карт SDXC (от 64 ГБ) — файловая система exFAT); многие производители поставляют карты предварительно отформатированными. Однако, как и любое запоминающее устройство с произвольным доступом, карты Secure Digital с помощью соответствующего программного обеспечения можно отформатировать любым желаемым способом — например, аналогично жёсткому диску с использованием таблицы разделов. Следует помнить, что применение в карточках системы NTFS со стандартными настройками является нежелательным, поскольку она является журналируемой (с опросами), а количество циклов перезаписи для карт ограничено. Режим ведения журнала опросов для разделов NTFS можно отключить, чтобы уменьшить износ памяти.

Следует учитывать, что поддержка той или иной файловой системы зависит от ОС или микропрограммы использующего карту устройства; так, некоторые устройства поддерживают исключительно FAT16, вследствие чего имеют ограничение на максимальный объём используемой карты — 2 ГБ.

SD-карты навигационных систем могут иметь свои форматы.

Часто встречаются контрафактные карты, использующие логотипы известных производителей. Такие карты имеют проблемы, начиная с несоответствия стандартам скорости передачи и заканчивая поддельной ёмкостью — при этом карта распознаётся как имеющая номинальный объём, но по факту он меньше. Выражается это в том, что при записи данные записываются на карту «циклически», перезаписывая себя поверх. В итоге с такой карты можно извлечь лишь последние записанные данные, соответствующие по объёму реальной ёмкости карты. Для определения реальной ёмкости карты есть специальные программы: h2testw для Windows, f3 для Windows, Linux, Mac.

•  
  Оригинальный microSDXC 64 ГБ (слева) и контрафактный с реальной ёмкостью 8 ГБ и классом 4 (справа)
•  
  MicroSD при вскрытии, маркировки контроллеров и чипов памяти, выявление контрафакта^[1]

• Eye-Fi
• SD Association

• Ассоциация SD Card (англ.)
• Спецификации формата SD, sdcard.org (англ.)
• Стандарты скоростных классов для записи видео, sdcard.org (англ.)
• Тесты карт памяти microSD объёмом 64 Гбайт, 3dnews, 11 сентября 2018