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

Für kleine Geräte wurde die miniSD entwickelt. Sie ist mit 20 mm × 21,5 mm × 1,4 mm etwa halb so groß wie die SD-Card. Diese kleinen Karten wurden mit einer Speicherkapazität bis 16 GB (miniSDHC) angeboten. Insgesamt waren Geräte, die mit miniSD-Karten betrieben werden, nicht sehr verbreitet. 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. Geräte, die miniSD benötigen, können stattdessen microSD-Speicherkarten über einen Adapter benutzen.

microSD-Karte

Die microSD-Karte (ehemals unter dem Namen TransFlash bekannt) ist nochmals kleiner als die miniSD. Mit 11 mm × 15 mm × 1,0 mm 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 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. Der Adapter ermöglicht die elektrische Verbindung zwischen den Kontakten und enthält keine elektronischen Bauteile. Andere Adapter mit elektronischen Bauteilen ermöglichen das Adaptieren auch auf andere Speicherkarten.

• microSD-Karte mit Adapter
• Geöffneter microSD-Adapter
• verschiedene Adapter:
  MicroSD auf miniSD
  miniSD auf SD
  SD auf CompactFlash
• Adapter microSD auf Memory Stick

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 dies 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 dies 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 den Takt vollständig anhalten.

Übertragungsmodi

Die SD-Spezifikation definiert im SD-Bus die 4-Bit-Übertragungen, durch das Übertragen mehrerer Bits auf jeden Taktimpuls erhöht sich die Übertragungsrate. Erweiterte SD-Familien haben auch die Geschwindigkeit erhöht, indem sie höhere Taktfrequenzen, Double Data Rate und Low Voltage Differential Signaling anbieten.

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. Dies 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 (englisch Default Speed ‚Standardgeschwindigkeit‘) mit 25 MHz, HS (englisch High Speed ‚Hohe Geschwindigkeit‘) mit 50 MHz und UHS-I (englisch Ultra High Speed I ‚extrem hohe Geschwindigkeit 1‘) 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 (englisch three Lanes): 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 (englisch differential signaling lanes): 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

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. Der USB-Anschluss ist meist durch eine Abdeckung geschützt, die weggeklappt oder abgezogen werden kann.

• SD-Karten mit USB-Anschluss und Abdeckung
• SD-Karte mit USB-Anschluss ohne Abdeckung

WLAN

Seit Mitte 2008 gibt es SD-Karten mit interner WLAN-Funktion, unter anderem vermarktet unter Wi-Fi SD-Card von Transcend, FlashAir von Toshiba und Eye-Fi Card. Je nach Kartentyp werden PC-Synchronisation, Internet-Upload über Hotspots oder Wireless Access Points ermöglicht wie auch das Speichern der geografischen Daten des Aufnahmeortes. Dank der Abmessung von SD-Karten passen sie in übliche Kamera-Modelle. Soweit Geokoordinaten verwendet werden, entstammen sie einer Datenbank örtlicher WLAN-Stationen (Skyhook) und werden beim Durchleiten der Bilder ins Internet den Exif-Daten hinzugefügt. Diese Karten sind nicht mit jedem Gerät funktionsfähig. Karten mit diesen Funktionen haben sich am Markt nicht durchgesetzt, entsprechende Funktionen werden nun über USB realisiert.

SD (SD 1.0 und SD 1.1)

Das Konsortium für SD-Karten definiert eine Kartenkapazität bis maximal 1 GB (SD 1.0) und 2 GB (SD 1.1) mit dem Filesystem FAT (FAT 12/16).

Karten mit einer Kapazität von 4 GB, die als SD-Karten – also nicht als SDHC-Karten – verkauft werden, entsprechen nicht den Spezifikationen.

SDHC (SD 2.0)

Diese Spezifikation macht Speicherkapazitäten bis zu 32 GB unter der Bezeichnung SDHC (von englisch Secure Digital High Capacity ‚Sichere digitale hohe Kapazität‘) möglich. SDHC-Karten funktionieren nicht in Geräten, die lediglich mit SD-Karten nach SD 1.0 oder SD 1.1 arbeiten können; die Kompatibilität muss nicht zwangsläufig deklariert sein. Die Abmessungen und die Kontakte sind denen von SD-Karten gleich.

Darüber hinaus legt die SDHC-Spezifikation Leistungsklassen fest, die gesicherte Mindestübertragungsraten für die Aufzeichnung von MPEG-Datenströmen festschreiben: Bei Karten der Klasse 2 sind es 2 MB/s, bei Klasse 4 sind es 4 MB/s, bei Klasse 6 sind es 6 MB/s, und bei Klasse 10 sind es mindestens 10 MB/s. AVCHD-Kameras benötigen meist mindestens 1 MB/s, die Panasonic HDC-SD1 benötigt 13 MBit/s, also 1,6 MB/s, womit Klasse 2 ausreichend wäre. Höhere Datenraten sind vorteilhaft für die Serienbildaufnahme von Digitalkameras, sofern die Kamera höhere Datenraten schreiben kann und für die Übertragung zum PC. Nach diesem Schema sind die Klassen auf den SDHC-Speicherkarten mindestens mit einer der Zahlen 2, 4, 6 oder 10 innerhalb eines nach rechts offenen Kreises bedruckt (siehe Fotos). Die bisherigen SD-Spezifikationen sahen einen solchen für alle Hersteller allgemein verbindlichen Standard für Transferraten nicht vor.

Im August 2006 kam die erste 4-GB-SDHC-Speicherkarte auf den Markt, Anfang 2008 folgte die weltweit erste Klasse-6-Karte mit 32 GB, im Dezember 2009 die Klasse-10-Karten.

Da primär für den Gebrauch in Digitalkameras bestimmt, sind SDHC-Karten in der Regel mit dem Dateisystem FAT32 formatiert. Deshalb sind sie mit älteren Kameras, die lediglich das (bei SD-1.x-Karten übliche) FAT16-Format verstehen, nicht kompatibel. Für die Nutzung in älteren Kameras können SDHC-Karten mit FAT16 formatiert werden, was allerdings die nutzbare Kapazität auf 4 GB begrenzt. Prinzipiell sind SD-Karten (und somit auch SDHC-Karten) nicht auf das FAT-Dateisystem beschränkt. Es ist kein Problem, sie mit anderen Dateisystemen (wie etwa UFS, ZFS, ext3, NTFS oder HFS) zu verwenden, was diese Medien wegen ihrer Größe als Ersatz für USB-Sticks sowie für die Nutzung in digitalen Camcordern interessant macht. Zu beachten ist dabei jedoch, dass sie wegen mangelnder Unterstützung dieser Dateisysteme in Digitalkameras von diesen nicht angesprochen werden können und ein Kartenfehler gemeldet wird.

SDXC (SD 3.0)

Auf der Consumer Electronics Show 2009 kündigte die SD Card Association den Nachfolger von SDHC an. Die Spezifikation der SDXC (von englisch Secure Digital eXtended Capacity ‚Sichere digitale erweiterte Kapazität‘) genannten Karten erlaubt eine Bruttogröße bis 2 TB (2048 GB). Die Einteilung in Leistungsklassen wird beibehalten und reicht nun bis 104 MB/s, geplant sind 300 MB/s. Es können technisch grundsätzlich alle Dateisysteme verwendet werden, erstmals schreibt die Spezifikation jedoch ein konkretes Dateisystem, Microsoft exFAT, vor.

Insgesamt hat exFAT eine gewisse Verbreitung erlangt. Treiber für exFAT gibt es unter Windows 7, in Windows Vista ab Service-Pack 1 und Mac OS X (ab 10.6.5). Für Windows XP ist ab Service-Pack 2 ein separates Update erhältlich. Mittels eines Patentaustauschabkommens mit Microsoft ist Tuxera nach eigenen Angaben daran, einen exFAT-Treiber für Embedded-Linux zu entwickeln. Ob dieser Treiber jedoch wie Tuxeras NTFS-3G nach dem „Dual-Licensing“-Prinzip sowohl unter einer kommerziellen Lizenz als auch unter einer Open-Source-Lizenz veröffentlicht wird, ist unbekannt.

Aufgrund der technischen und juristischen Probleme des exFAT kommt bei Android- und GNU/Linux-Systemen zumeist der ext4-Treiber zum Einsatz. Die SD-Karte wird dazu, je nach Anwendungsfall, mit ext2 oder ext4 formatiert. Insbesondere zur Kompatibilität zu älteren Geräten findet auch das überholte FAT32 weiterhin Anwendung. SDXC-Karten sind zu SD- oder SDHC-Lesern jedoch nur eingeschränkt abwärtskompatibel.

SDUC (SD 7.0 und SD 7.1)

Speicherkarten nach dem Standard SDUC (von englisch Secure Digital Ultra Capacity ‚Sichere digitale ultra Kapazität‘) können eine Speicherkapazität zwischen 2 und 128 Terabyte haben. Der SDUC Standard wurde 2018 definiert und 2019 für Micro-SD-Karten erweitert. Mit dem neuen Standard sind auch neue Datenübertragungsgeschwindigkeiten für SD Express und Micro-SD Express von bis zu 985 MB/s definiert worden. SDUC-Geräte sind abwärtskompatibel mit Karten nach den vorhergehenden Standards.

Geschwindigkeitsklassen

In der SD-5.1-Spezifikation sind folgende Geschwindigkeitsklassen (speed classes) als minimale Schreibgeschwindigkeiten definiert:

Busgeschwindigkeiten

Anwendungsleistungsklassen

Die Spezifikationen für A1 und A2 sind in SD 5.1/SD 6.0 festgelegt. Die Anwendungsleistungsklasse bestimmt die Leistung der Karte, wenn viele Prozesse gleichzeitig oder innerhalb kurzer Zeit auf die Karte zugreifen wollen. Dieses kann z. B. für Smartphones oder Embedded-Systeme eine Rolle spielen. Die Anwendungsleistungsklasse wird durch mehrere Faktoren beeinflusst: die Lese- und Schreibgeschwindigkeit, die Zugriffszeit für zufällige Speicherblöcke und die Fähigkeiten des Kartencontrollers. Karten der Anwendungsleistungsklasse A1 oder A2 erlauben bei entsprechendem Betriebssystem den Betrieb von Apps direkt auf Kartenspeicher. Karten mit A2 müssen nicht nur die höheren Werte erreichen, sondern zusätzlich die Funktionen Command Queuing, Cache und Self-Maintenance ausführen können.

Command Queuing erlaubt dem Host bis zu 32 Befehle an den Controller zu senden, noch bevor der erste Befehl abgearbeitet worden ist. Der Host Controller kann mittels eigener Logik beispielsweise mehrere Befehle zusammenfassen oder die Reihenfolge ändern und damit die Ausführung optimieren.

Mit Self Maintenance kann z. B. die Karte selbstständig ihre Speicherblöcke neu organisieren, solange vom Gerät keine Lese- oder Schreiboperationen ausgeführt werden.

Für die Funktion Cache braucht die Karte einen separaten Speicherblock aus DRAM, der einen schnelleren Datenzugriff als der Flash-Speicher erlaubt. Wenn der Host abgeschaltet wird, kann er mit der Cache-Funktion ein Signal zum Leeren des Cache an die Karte senden, dann werden alle noch nicht gesicherten Daten innerhalb von maximal einer Sekunde auf den Flash-Speicher geschrieben und damit ein Datenverlust verhindert.

Mittlere Zugriffszeit

Die mittlere Zugriffszeit gibt die Zeit an, die von der SD-Karte benötigt wird, um einen bestimmten Speicherbereich zum Lesen oder zum Schreiben zu finden. Für moderne Systeme wird ein Wert von unter 12 ms empfohlen. Für den Lesezugriff ist das bei fast allen SD-Karten gegeben.

MMC und SD

Geräte mit SD-Steckplatz sind meist abwärtskompatibel zu MMC-Karten. So lassen sich MMCs meist auch in Geräten betreiben, die für die SD-Memory-Card ausgelegt sind. Allerdings können schnelle MMC-Karten in reinen SD-Karten-Lesern nicht mit voller Geschwindigkeit angesprochen werden; dafür ist eine vollwertige MMC-Unterstützung nötig. (siehe dazu auch Befehlsschnittstelle und Kompatibilität im MMC-Artikel).

Das Betreiben von SD-Karten in Geräten, die nur für MMC ausgelegt sind, ist hingegen nicht möglich. Um Fehlbenutzungen zu vermeiden, haben SD-Karten ein dickeres Gehäuse als MMC-Karten. Daher passen SD-Karten wegen ihrer Dicke normalerweise nicht in reine MMC-Steckplätze.

SD, SDHC, SDXC und SDUC

In verschiedenen (Host-)Geräten des Standards SD 1.0 werden SD-Karten mit 2 GB oder größer nur mit der Kapazität von 1 GB angezeigt und partitioniert. Geräte, die nur SD-1.0-Industriestandard unterstützen (vor allem ältere Kartenleser), lesen 2-GB-Karten manchmal, verursachen aber Fehler im Speicherbereich über 1 GB. Nicht nach SD-1.0- oder SD-1.1-Industriestandard ausgelegte SD-Karten (4 GB) sind mit SD-1.0-Geräten nicht kompatibel, außerdem funktionieren sie auch in einigen SDHC-Geräten nicht.

SDHC-Karten funktionieren nicht in Geräten, die lediglich mit SD-Karten arbeiten können. Da dies nicht immer auf den Geräten vermerkt ist, sollte man das Zusammenspiel von Karte und Lesegerät vor dem Kauf testen.

SDHC-kompatible Host-Hardware (z. B. Kartenleser) ist zu SD-Karten abwärtskompatibel und in der Regel auch uneingeschränkt aufwärtskompatibel zum SDXC-Standard, sofern das Betriebssystem des Computers exFAT unterstützt. Die Computerbetriebssysteme aus der Zeit vor SDXC sind nach Installation eines Patches exFAT-fähig, entsprechende Firmware-Updates für damalige eingebettete Systeme sind jedoch seltener.

SDUC-Karten werden von Geräten der älteren Standards nicht akzeptiert und können nur in SDUC-Geräten benutzt werden.

Soll-Kapazität und tatsächliche Kapazität

Fälschungen von Speicherkarten zeigen dem Betriebssystem die angegebene (angebliche) Kapazität an und lassen sich mit der angeblichen Kapazität formatieren, ohne dass eine entsprechende Fehlermeldung erscheint. Das wird dadurch ermöglicht, dass in Speicherkarten und anderen Flash-Speichern die verfügbare Gesamt-Speichermenge (Kapazität) in einem auslesbaren Bereich einprogrammiert ist. Diese Speicherung des Wertes der Kapazität wurde aus dem Grund geschaffen, da das Überprüfen der Kapazität bei jedem Einlegen des Datenträgers zu lange dauern würde.

Bei dem Versuch, größere Datenmengen auf eine derart manipulierte Karte zu speichern, werden dann, sobald die tatsächliche Kapazität ausgeschöpft ist, sämtliche weitere noch zu speichernde Dateien nicht mehr auf der SD-Karte gespeichert oder überschreiben einen Teil der bereits gespeicherten Daten. In beiden Fällen erhält der Anwender normalerweise keine Fehlermeldung, aber ein Teil der Daten ist verloren. Speichertests, wie das Windows-Freeware-Programm zum Verifizieren von SD-Cards und anderen R/W-Speichermedien "H2testw" oder der Linux-Befehl „Badblocks“ oder das Tool für Linux „f3 – Fight Flash Fraud“, zeigen an, bei welchen Adressen das passiert und ermöglichen so die Berechnung der tatsächlich vorhandenen Speichergröße. Weil einige Fälschungen falsch adressieren, muss das Testen mit einem ständig wechselnden Bit-Muster (Zufallsmuster) erfolgen.

Schreib-/Lesegeschwindigkeit

Als weiteres Merkmal einer Fälschung liegt die tatsächliche Übertragungsrate (Schreib-/Lesegeschwindigkeit) gefälschter Speicherkarten erkennbar weit unter dem beworbenen und auf der Verpackung oder Karte aufgedruckten Wert. Die Klasseneinteilungen der Karten (Class, UHS Class) entsprechen Mindestwerten der sequentiellen Schreibgeschwindigkeit, wobei eine deutlich niedrigere Schreibgeschwindigkeit ein Indiz für eine Fälschung sein kann. Jedoch kann die tatsächliche Übertragungsgeschwindigkeit auch von anderen Faktoren, wie der verwendeten Schnittstelle (z. B. USB), dem Kabel oder dem Kartenleser begrenzt sein.