高速率存储器UFS

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导读	随着智能手机的快速发展，手机已经变成了一种生活中的必需品。人们对于智能手机的要求也越来越高。卓越的手机性能可以给用户带来指尖跳舞的感觉。为了满足这种需求，各大厂家对手机的 CPU，内存，存储设备都投入了大量的研发。

一、UFS 简介

随着智能手机的快速发展，手机已经变成了一种生活中的必需品。人们对于智能手机的要求也越来越高。卓越的手机性能可以给用户带来指尖跳舞的感觉。为了满足这种需求，各大厂家对手机的 CPU，内存，存储设备都投入了大量的研发。现在 CPU 和内存的发展已经是相当地迅速，运行速度在成倍增长。但是传统的存储设备运行速度已经远远落后于 CPU 和内存。高速的 CPU 和内存搭配低速的存储设备，就像是大牛拉小车发挥不出自己的优势。所以对于快速存储设备的需求尤为迫切，从而有了 UFS(Universal Flash Storage)的诞生。

二、UFS 与 eMMC

说起 UFS，必须要讲讲它的前辈 eMMC。eMMC 是一种嵌入式多媒体卡，是由 JEDEC 协会所制定的一种嵌入式非易失性存储器。它采用并行传输技术，读写必须分开执行，虽然仅提供单路读写功能，但仍具备体积小、高度集成与低复杂度的优势。目前最新的 eMMC 5.1 标准，连续读取速度约为 250MB/s。

UFS 最早是由 JEDEC 在 2011 年推出的，采用全新的串行传输技术，可同时读写操作。第一代 UFS 由于与当时 eMMC 标准速度差异不大，且成本较为高昂，因此并未成功普及。直至 2014 年 UFS 2.0 标准问世后，连续读取速度约达 800MB/s，UFS 才成为 Android 旗舰手机逐渐采用的标准配置。目前最新的 UFS 3.1 标准，连续读取速度约为 1,700MB/s。这时，UFS 的传输速度已远远领先于 eMMC。

高速率存储器 UFS

上图分别是用 AndroBench 实测的 UFS 和 eMMC 的读写速率。新手机发布后，很多手机测评自媒体都会使用 AndroidBench 测试手机的读写速率来判断其性能。对于 AndroBench 所测的数据，业内也是比较认可的。从图 1 和图 2 来看，UFS 的速率是 eMMC 的两倍，但也不难发现，这一速率和理想的数据还是有差距的。理想总归是理想，实际的速率还要结合整机的性能。

为什么 UFS 的速率要高于 eMMC? 具体有两方面的原因：

1. 数据信号的处理方式不同

UFS 是差分串行传输，与单端信号传输相比，差分信号抗干扰能力强，能提供更宽的带宽处理，速度更快。eMMC 使用的是并行数据传输。并行最大的问题是速度上不去，因为一旦时钟上去，干扰就变大，信号完整性无法保证。

高速率存储器 UFS

2. 协议的不同

好的器件如果没有优良的上层软件 (firmware) 就相当于法拉利不加 98 号汽油，再好也跑不快。eMMC 和 UFS 的协议都是由 JEDEC 制定的，器件厂家根据协议来设计器件。eMMC 的通讯方式是半双工的，读写不能同时进行。UFS 是全双工通讯，读写是可以同时进行的。简单来说，eMMC 的通讯方式是一种应答式的，host 发送数据给 eMMC 需要等 eMMC 应答之后才可以继续发送数据。UFS 则不一样，host 只管向 UFS 发送数据谁先完成谁先返回状态不需要等待。所以, 速度就会比 eMMC 要快，如图 3。

三、UFS 架构设计

高速率存储器 UFS

整个 UFS 协议栈可以分为三层：应用层(UFS Application Layer(UAP))，传输层(UFS Transport Layer(UTP))，链路层(UIC InterConnect Layer(UIC))。应用层发出 SCSI 命令(UFS 没有自己的命令使用的是简化的 SCSI 命令)，在传输层将 SCSI 分装为 UPIU，再经过链路层将命令发送给 Devices。下面分别介绍这三层：

1. 应用层(UFS Application Layer(UAP))

UFS command set(UCS)：使用的命令是简化的 SCSI 命令(SCSI Primary Command(SPC),SCSI Block Command(SBC))，如读写命令等。

Device Manager: 用于管理 UFS 设备、设备集操作(对设备的工作模式或状态进行控制)，设备集配置(对设备硬件属性进行设置)。

Task Manager：任务管理器用于管理命令队列中的命令。比如任务管理器可以发 Abort 命令，终止之前发下去的命令。它也可以清空命令队列中的所有命令。

2. 传输层(UFS Transport Layer(UTP))

这一层是 JEDEC 协议制定的，其他两层都是引用别人的协议。这一层也是 UFS 最重要的一层。在这一层将应用层的 SCSI 命令封装为 UFS 可以识别的 UPIU(固定格式的数据结构，用以传输应用层发来的命令或者请求)，通过互联层到 Devices 实现端到端的数据传输。

高速率存储器 UFS

最小的 UPIU 是 32 字节，根据不同的 Transaction Type 这个大小也是不同的。0~11 是 12 字节的帧头。具体的 UPIU 类型和 12 字节的帧头可以参考“JESD220D_UFS3.0”，这里就不在赘述。

3. 链路层(UIC InterConnect Layer(UIC))

主要包括 MIPI UniPro 数据链路层和 MIPI M-PHY 物理层。其中，MIPI UniPro 数据链路层负责主机和设备的链接，它本身是一个完整的协议栈;MIPI M-PHY 物理层负责传输实实在在的物理信号，使用 8 /10 编码、差分信号串行数据传输。数据传输分高低速模式，每种模式下又有几种不同的速度档。

四、结语

UFS 的整个架构要比 eMMC 的复杂，有些知识点可以用晦涩难懂来形容。十分考验个人的功底。UFS 的整个系统很庞大，本文只是一个入门的介绍，如果想深入去学习，建议先啃协议，后续结合协议看代码。