帶你認(rèn)識UFS：一種高速率的存儲器件

作者：陳豪 2022-04-26 08:00:00

一、UFS簡介

隨著智能手機(jī)的快速發(fā)展，手機(jī)已經(jīng)變成了一種生活中的必需品。人們對于智能手機(jī)的要求也越來越高。卓越的手機(jī)性能可以給用戶帶來指尖跳舞的感覺。為了滿足這種需求，各大廠家對手機(jī)的CPU，內(nèi)存，存儲設(shè)備都投入了大量的研發(fā)。現(xiàn)在CPU和內(nèi)存的發(fā)展已經(jīng)是相當(dāng)?shù)匮杆伲\(yùn)行速度在成倍增長。但是傳統(tǒng)的存儲設(shè)備運(yùn)行速度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于CPU和內(nèi)存。高速的CPU和內(nèi)存搭配低速的存儲設(shè)備，就像是大牛拉小車發(fā)揮不出自己的優(yōu)勢。所以對于快速存儲設(shè)備的需求尤為迫切，從而有了UFS(Universal Flash Storage)的誕生。

二、UFS與eMMC

說起UFS，必須要講講它的前輩eMMC。eMMC是一種嵌入式多媒體卡，是由JEDEC協(xié)會所制定的一種嵌入式非易失性存儲器。它采用并行傳輸技術(shù)，讀寫必須分開執(zhí)行，雖然僅提供單路讀寫功能，但仍具備體積小、高度集成與低復(fù)雜度的優(yōu)勢。目前最新的 eMMC 5.1 標(biāo)準(zhǔn)，連續(xù)讀取速度約為 250MB/s。

UFS最早是由JEDEC在2011年推出的，采用全新的串行傳輸技術(shù)，可同時讀寫操作。第一代 UFS 由于與當(dāng)時 eMMC 標(biāo)準(zhǔn)速度差異不大，且成本較為高昂，因此并未成功普及。直至 2014 年 UFS 2.0 標(biāo)準(zhǔn)問世后，連續(xù)讀取速度約達(dá) 800MB/s，UFS 才成為 Android 旗艦手機(jī)逐漸采用的標(biāo)準(zhǔn)配置。目前最新的 UFS 3.1 標(biāo)準(zhǔn)，連續(xù)讀取速度約為 1,700MB/s。這時，UFS的傳輸速度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于eMMC。

表1：不同協(xié)議下的理想傳輸速度

圖1：UFS 實(shí)測速度圖2：eMMC實(shí)測速度

圖1，圖2分別是用AndroBench實(shí)測的UFS和eMMC的讀寫速率。新手機(jī)發(fā)布后，很多手機(jī)測評自媒體都會使用AndroidBench測試手機(jī)的讀寫速率來判斷其性能。對于AndroBench所測的數(shù)據(jù)，業(yè)內(nèi)也是比較認(rèn)可的。從圖1和圖2來看，UFS的速率是eMMC的兩倍，但也不難發(fā)現(xiàn)，這一速率和理想的數(shù)據(jù)還是有差距的。理想總歸是理想，實(shí)際的速率還要結(jié)合整機(jī)的性能。

為什么UFS的速率要高于eMMC?

具體有兩方面的原因：

1. 數(shù)據(jù)信號的處理方式不同

UFS是差分串行傳輸，與單端信號傳輸相比，差分信號抗干擾能力強(qiáng)，能提供更寬的帶寬處理，速度更快。eMMC使用的是并行數(shù)據(jù)傳輸。并行最大的問題是速度上不去，因?yàn)橐坏r鐘上去，干擾就變大，信號完整性無法保證。

圖3：UFS與eMMC的通訊方式不同

2.協(xié)議的不同

好的器件如果沒有優(yōu)良的上層軟件(firmware)就相當(dāng)于法拉利不加98號汽油，再好也跑不快。eMMC和UFS的協(xié)議都是由JEDEC制定的，器件廠家根據(jù)協(xié)議來設(shè)計(jì)器件。eMMC的通訊方式是半雙工的，讀寫不能同時進(jìn)行。UFS是全雙工通訊，讀寫是可以同時進(jìn)行的。簡單來說，eMMC的通訊方式是一種應(yīng)答式的，host發(fā)送數(shù)據(jù)給eMMC 需要等eMMC應(yīng)答之后才可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。UFS則不一樣，host只管向UFS發(fā)送數(shù)據(jù)誰先完成誰先返回狀態(tài)不需要等待。所以,速度就會比eMMC要快，如圖3。

三、UFS架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4：UFS協(xié)議棧

整個UFS協(xié)議棧可以分為三層：應(yīng)用層(UFS Application Layer(UAP))，傳輸層(UFS Transport Layer(UTP))，鏈路層(UIC InterConnect Layer(UIC))。應(yīng)用層發(fā)出SCSI命令(UFS沒有自己的命令使用的是簡化的SCSI命令)，在傳輸層將SCSI分裝為UPIU，再經(jīng)過鏈路層將命令發(fā)送給Devices。下面分別介紹這三層：

1.應(yīng)用層(UFS Application Layer(UAP))

UFS command set(UCS)：使用的命令是簡化的SCSI命令(SCSI Primary Command(SPC),SCSI Block Command(SBC))，如讀寫命令等。
Device Manager: 用于管理UFS設(shè)備、設(shè)備集操作(對設(shè)備的工作模式或狀態(tài)進(jìn)行控制)，設(shè)備集配置(對設(shè)備硬件屬性進(jìn)行設(shè)置)。
Task Manager：任務(wù)管理器用于管理命令隊(duì)列中的命令。比如任務(wù)管理器可以發(fā)Abort命令，終止之前發(fā)下去的命令。它也可以清空命令隊(duì)列中的所有命令。

2.傳輸層(UFS Transport Layer(UTP))

這一層是JEDEC協(xié)議制定的，其他兩層都是引用別人的協(xié)議。這一層也是UFS最重要的一層。在這一層將應(yīng)用層的SCSI命令封裝為 UFS可以識別的UPIU(固定格式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用以傳輸應(yīng)用層發(fā)來的命令或者請求)，通過互聯(lián)層到Devices實(shí)現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)傳輸。

圖5：UPIU的格式

最小的UPIU是32字節(jié)，根據(jù)不同的Transaction Type這個大小也是不同的。0~11是12字節(jié)的幀頭。具體的UPIU類型和12字節(jié)的幀頭可以參考“JESD220D_UFS3.0”，這里就不在贅述。

3.鏈路層(UIC InterConnect Layer(UIC))

主要包括MIPI UniPro 數(shù)據(jù)鏈路層和MIPI M-PHY 物理層。其中，MIPI UniPro 數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)主機(jī)和設(shè)備的鏈接，它本身是一個完整的協(xié)議棧;MIPI M-PHY 物理層負(fù)責(zé)傳輸實(shí)實(shí)在在的物理信號，使用8/10編碼、差分信號串行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸分高低速模式，每種模式下又有幾種不同的速度檔。