树莓派SD卡使用指南：工作原理、连接方式及替代方案详解
树莓派SD卡使用指南：工作原理、连接方式及替代方案详解
树莓派作为一款广受欢迎的单板计算机，其启动和存储媒介SD卡的使用一直备受关注。本文将从SD卡的工作原理、树莓派与SD卡的连接方式、推荐的SD卡类型以及替代方案等多个维度，深入探讨这一话题。
SD卡的工作原理是什么
首先要说到NAND，这是一种基于晶体管的逻辑门电路。然后是NAND Flash，这是一种基于NAND的存储结构，但你需要基于某种方式来访问它（读写它）。
比如，可以在PCB上放置一个NAND Flash存储芯片，然后添加一个控制芯片及其接口。如果是USB接口，你就得到一个U盘。如果是SD接口，那就是SD卡了。
图1-U盘或SD卡内部有NAND Flash存储芯片和控制芯片，见参考链接[1]
U盘或者SD卡都是相对简单的设备，这两者主要是接口形态的不同。当你在上面存储信息时，控制器会将信息写入某些固定位置，这可能会损坏NAND Flash，因为他们的写入次数是有限的。
而对于固态硬盘（SSD），其内部的控制器就复杂的多，会做很多资源平衡与调度。并且，SSD中的NAND Flash从工艺加工角度也更为高级，可分为SLC、MLC等，就不展开了。
树莓派与SD卡是怎么连接的？
树莓派4B上装配的是一种更小型化的SD卡，称之为Micro SD卡。与普通SD卡原理类似，但接口有区别，对比示意图如下：
图2-SD卡、Mini SD卡、Micro SD卡接口引脚对比
看起来这些卡的接口都是一种基于Clk+4 Data的总线。由于区别只在于体积和引脚定义，本文不特别区分，统称为SD卡。
关于树莓派4B的主芯片SoC BCM2711与SD卡是如何连接的，这个在官方的原理图上并未显示（阉割版原理图嘛……）。
不过我们可以从树莓派3B上找到一些蛛丝马迹，看下图，树莓派3B主芯片SoC BCM2837与MicroSD卡是直连的：
图3-树莓派3B 主芯片SoC BCM2837与MicroSD卡直连
也可以从官方提供的树莓派4B《bcm2711-peripherals.pdf》中看到一些蛛丝马迹。总之结论就是，对于树莓派4B，主芯片SoC BCM2711是与MicroSD卡直连的。猜测BCM2711内部应该是有SD卡及其总线的外设控制器。
推荐给树莓派用什么类型的SD卡？
存储大厂金士顿（Kingston）写过这么一片文章《Choosing Storage for Raspberry Pi》，出处见参考链接[2]：
图4-金士顿推荐给树莓派用8GB Class 10 UHS 类型的SD卡
其中说到：对于安装Raspbian OS操作系统，SD卡（MicroSD卡）的存储容量至少要8GB。然后对于SD卡的等级，要达到Class 10 UHS-I。
Class 10 UHS-I，如果看下图，也就是10MB/s的水平（但我没看出上述金士顿文章截图说的95MB/s是如何实现的）。
图5-SD卡Class 10 UHS-I等级图
国外http://Tomshardware.com也做过树莓派SD卡读写测试，对于UHS-I的连续写入速度，也就是在10~20MB/s的水平。详情可参见链接[3]。
图6-Tomshardware做树莓派4对于SD卡的读写测试
SD卡有什么代替方案，eMMC？USB？
SD卡的代替方案有eMMC或USB。
先说下eMMC，eMMC和SD卡按照相同的技术标准构建，原理相同。但eMMC的芯片通常采用小型球栅阵列（BGA）封装，是永久焊接在PCB的，不可拆卸。我们在树莓派CM4版本上看到eMMC芯片：
图7-树莓派CM4上的eMMC芯片
当然你也可以将树莓派的启动媒介切换到USB上，不过会占用USB口，而且功耗和发热应该也更高，因为会用到USB控制器VLI VL805。具体将树莓派的启动媒介切换到USB的办法网上有很多，我看的是参考链接[5]。
总结
总结一下树莓派上使用SD卡优点：
- 树莓派SoC能直接控制读写SD卡，不需要额外占用USB口
- SD卡的卡槽在PCB背面，不影响体积
- SD卡可以插拔，使得用户可以在PC上烧录操作系统
而SD卡缺点在于：
- SD卡易坏，特别是买到山寨品牌的时候
- SD卡易坏，特别是在SD卡需要频繁读写，以及在写操作时发生断电，都会增加SD卡损坏的概率
- SD卡的读写速度较慢，这个可以考虑用eMMC或者用USB作为代替方案
整体来说，SD卡的优点还是大于缺点，这是为了兼顾开发难易的一种折中。
这不树莓派5也出来了吗，官方推荐的存储媒介仍然是SD卡（MicroSD卡），而且还支持了SD卡的SDR104标准，即更高的时钟频率和读写速率。所以，继续用SD卡吧。
图8-树莓派5B上的MicroSD卡
参考链接
- [6]《bcm2711-peripherals.pdf》