【单片机开发】UFS协议浅析

谷谷小师妹

【单片机开发】UFS协议浅析

一、UFS 协议技术
经过固态技术协会（Joint Electron Device Engineering Council，JEDEC）不断对 eMMC 协议的完善，eMMC 5.1 发布后因为无法继续提高其传输速度，JEDEC 于 2011 年发布了 UFS 1.0 协议，尽管 UFS 1.0 相比较同时期的 eMMC 并没有实质上的优势，但由于 UFS 协议基础优秀，随着时代逐步发展，UFS 2.1 相比较 eMMC 已经形成绝对压倒性优势，奠定了 UFS 协议未来成为存储技术主流的地位：

UFS 之所以可以如此之快的原因在于：

• UFS 使用了差分串行传输；
  
  
  • 串行决定了可以使用更快的时钟（时钟信息可以嵌在数据流中）；
  • 差分则大大增强其抗干扰能力强（eMMC 后续之所以速度上不去就是因为使用的是并行数据传输，抗干扰能力弱，无法保证在高速时钟时的信号完整性）；
    
    
• UFS 支持多通道数据传输（目前最多支持两个通道），多通道可以让 UFS 在成本、功耗和性能之间做取舍；
• 全双工（eMMC 是半双工）；
  
  
  

要让 UFS 速度快，这些基础设施是必须的。但要充分利用底层高速数据传输通道，还需要上层数据传输协议配合：

• UFS 支持命令队列，主机一下可以发很多个命令下去；
• UFS 支持异步命令（并行乱序执行，谁先完成谁先返回状态，eMMC 的同步命令处理方式不支持）；
  
  

UFS 协议更像是一个整合者，重新定义的东西不多，Application Layer 主要是将 SCSI 规范搬过来，下面的 M-PHY 和 UniPro 则直接挪用 MIPI 标准的部分，优点当然显而易见，处理不用担心以往优秀且成熟协议的稳定性外，也同时大大减少重新设计硬件的工作量。

M-PHY 和 UniPro 扩展：图摘自《mipi_M-PHY_specification》L1，M-PHY：专为移动设备开发的一种串行接口技术，时钟频率能够达到 5.8Gbps（高 performance），每个 Upstream Lane 或者 Downstream Lane 只需要两根差分信号线（pin 脚少，方便 PCB 布线），并且具有多种省电模式。M-PHY 是全双工且不要求上行 Lane 和下行 Lane 成对出现，下图就是两个下行 Lane 配一个上行 Lane 的例子。但是注意针对目前的 UFS 上行下行 Lane 还都是成对出现的；

UniPro：也是针对 mobile 设备开发的，广泛用于移动设备 AP、协处理器和 modem 之前的通信协议，通常把这层看作是对硬件接口的抽象、管理和负责通信的的软件层来帮助理解；

L1.5 PHY Adapter：物理适配层，用于检测双向 Lane 通路的个数，并提供软件支持。允许访问对端 L1.5 层的控制参数和状态，并可以通过原子操作改变对端 Power Mode。下图显示了 L1.5 层的数据是以 Symbol 为单位的，每个 symbol 有 17 个 bits，包含有两个 Byte 和一个 control bit (bit16)。Control bit 是 1 的时候，表明后面跟着的两个 bytes 是控制命令；如果是 0 ，说明后面的两个 bytes 是 data payload；

L2 Data Link：数据链路层，主要保证数据通信过程中的可靠性。其中采用 ECC 保证接收数据的准确性，接收端也要留有足够的 buffer 来缓存接收到的数据。一旦接收失败，发送端必须重新发送一次。L 2层的数据单位是 Frame，在原有 L1 层的基础上，把独立的 symbol 打包。每个 Frame 最多可以打包 144 个 symbol，并在 Frame 的头尾处各添加上 Header（ESC_DL+SOF+TC+Reserved） 和 Trailer（ESC_DL+EOF_EVEN+Frame Seq. Number）之后，附上16bits ECC 来侦查纠错。
这层有个比较重要的概念是 TC（Traffic Class），UFS 支持两种优先级的 Data Frame TC0 和 TC1。TC1 的优先级高于 TC0，绝大多数的数据都是在 TC0 这个级别传递的，紧急的数据通过 TC1 来传递。TC1 可以中断、抢占正在发送的 TC0 的数据发送。

L3 Network：网络层，负责数据 route 到正确的目标设备，比如下图的 AP#3 这个设备，它不仅能与设备 1、2、5 通信，那么通过 UniPro L3 也允许其与设备 4 和 6 进行通信。

L3 的数据的单位是 package，在层 2 的 Frame 的基础上增加了 7bits 的 shorter-header，用来标识数据 route 的目标地址。
       L4 Transport：传输层。由于基本通信服务已经在底层处理的差不多了，所以传输层是相对比较简单的一层，它提供对多 device 和多 client 的支持。L4 层的数据的单位是 segment，在 package 的基础上增加了 5bit 的“Cport” identifier，我们在这里可以把它看做是 UFS 的 sub-address。DME（Device Management Entity）与 UniPro 的每层都留有 SAP 接口（Service Access Point），通过 SAP DME 可以访问每个 layer 的控制和状态参数，管理他们的 power 模式，并且可以访问、控制对端设备的 UniPro 模块。

UniPro 的上面就是 UTP 和 SCSI 命令集，由于涉及的 SCSI 命令是很大一块需要单独来讲，所以这里只简单两笔。正如最开始提到的，UTP 和 SCSI 是属于 SCSI 这部分，在 JEDEC 的标准里能找到它们的具体说明。
UTP（UFS Transport Protocol）：这层软件主要有两个目的，一是把 UniPro 的 segment 打包成 UFS 直接可以识别的命令格式；二是通过这层可以让 UFS 自己来掌握发送数据的节奏、控制自身的状态等，这样既可以免去 host 端持续的查询 UFS 的状态所带来的系统消耗，也是因为只有 UFS 本身最了解自己的内部状态，能够选择以最佳的方式在最佳时间把数据传递出去。
SCSI 扩展：图摘自《JESD223D》《JESD220E-3.1》
UFS Application Command Layer：这层是 UFS 命令集，分为 UFS 的独有内建命令集和 SCSI（Small Computer System Interface）的命令集。SCSI 命令分为 SBC 和 SPC，分别是 SCSI Block Commands 和 SCSI Primary Command。

在 SCSI 架构中，主机上的 SCSI 接口卡称为 Initiator，与其相连接的 SCSI 磁盘等设备称为 Target，在逻辑上，Initiator 和 Target 之间通信的工作模式，与两个网络设备之间的模式相似，他们之间采用 client-server 的“请求-回应”模式：

SCSI 的 Initiator 与 Target 共同构成了一个典型的 C/S 模型，每个指令都是“请求/应答”这样的模型来实现：
* Initiator主要任务：发出SCSI请求；
* Target主要任务：回答SCSI请求，通过 LU 提供业务，并通过任务管理器提供任务管理功能；
LU（Logical Unit）：逻辑单元，是指一个可被操作系统识别和访问的逻辑存储单元。一个 UFS 设备可以包含多个 LU，每个 LU 可以被视为一个独立的存储设备；
LUs ：LU 的复数形式；
LUN（Logical Unit Number）：逻辑单元号码，是用来标识不同 LU 的唯一编号。每个 LU 都有一个对应的 LUN，它可以用来在系统中唯一地标识和访问该 LU；
备注：
I_T_L_Q Nexus：唯一地定义了连接到特定 Host Initiator Port (I) 的一个特定 Device Target Port (T) 上的一个特定 Logical Unit (L) 内的一个 command slot (Q)。

二、UFS 重要 Layer

2.1 UFS Application Layer

UFS 应用层由基于 SCSI 体系结构模型 （SAM） 的 UFS SCSI 命令集组成：

• 传输事务使用固定长度的CDB（command descriptor block，命令描述符块）进行；
• 每个事务都遵循 I_T_L_Q 关系，这意味着 CDB 需要识别与目标中的特定 LUN 通信的发起方。
  
  

命令描述符块的长度可以是 6、10 或 16 个字节，一些重要的命令：
* READ / WRITE；
* READ CAPACITY：获取逻辑单元的大小；
* REPORT LUNS：获取所有逻辑单元的列表；
* TEST UNIT READY：检查逻辑单元是否已准备好接受请求；
* START STOP UNIT：开关设备的电源模式；
* INQUIRY：查询有关逻辑单元的更多信息；

2.2 Logical unit

UFS 设备有若干个 LU，LU 接收主机发过来的命令或请求可能来自应用层的 SCSI 模块、设备管理器或者任务管理器

每个 LU 都是独立的，“独立”表现在下面几个方面：

• 逻辑地址空间是独立的，都是从LBA0（Logical Block Addressing，逻辑块寻址）开始；
• 逻辑块大小可以不同，可以为4KB，..；
• 可以有不同的安全属性，比如可以设置不同的写保护属性；
• 每个 LU 可以有自己的命令队列；
• LU 可以启动代码、应用程序代码和应用数据；
  
  

总结来说，划分不同 LU 有以下作用：

• 外部可寻址；
• 存储实体（可以单独做 Boot 启动、写保护或 RPMB[3]（Replay Protected Memory Block，重播保护内存块） ）；
• 内部任务队列；
  
  

一个 UFS 设备最多可以有 32 个逻辑单元用来存储用户数据的，此外可能有 4 个知名逻辑单元 （Well Known LU）：

各个 LU 相对地址如下：

• REPORT LUN
  
  
  • 代表设备向主机汇报设备LU清单。主机想知道设备LU的支持情况，就需要发命令或者请求给该LU。UFS其中有个命令“Report LUNS” （和该LU名字一样）用来访问Report LUNS；
    
    
• UFS Device
  
  
  • 当 UFS 主机对整个UFS设备发命令的时候，UFS Device LU 就成为该命令接收的对象，比如格式化UFS设备（FORMAT UNIT命令）、切换UFS设备的功耗模式（START STOP UNIT命令）等；
    
    
• Boot
  
  
  • 用来存储启动代码的LU。不过 BOOT LU 本身是不存储启动代码的，它只是个虚拟的 LU，启动代码物理上是存储在普通LU上的。有两个 Boot LU，LU A 和 LU B，可以用来存储不同启动代码（比如一个新，一个旧），但在启动过程中，只有一个是活跃的（Active）的。32个普通LU中的任意一个可以配成Boot LU A或者Boot LU B；
    
    

在下面的例子中，LU 1 充当 Boot LU A，LU 4 充当 Boot LU B。由于有两份启动代码，分别保存在LU 1和LU 4。主机启动时，首先应该通过设备管理器，发送 Query 请求给设备，获取一个叫做“bBootLunEn ”的属性，该属性标识当前活跃（Active）的 Boot LU：

如果 bBootLunEn = 01，说明 Boot LU A 是当前活跃的 Boot LU，因此主机会从 LU 1 上读取启动代码完成系统的启动。Boot LU 不是必须的。如果系统的启动代码不是存储在 UFS 设备上，那么 Boot LU就不需要，因此bBootLunEn = 0：

• RPMB
  
  
  • UFS 设备会校验主机向 RPMB LU 写数据的合法性，只有特定的主机才能写入；同时，主机在读取数据时，也提供了校验机制，保证了主机读取到的数据是从该 LU 上读的数据，而不是攻击者伪造的数据；
    
    

四个 Well Known LU 能接收的命令如下图，绿色命令为他们能接收一些通用的命令，红色命令表示只有该 LU 能执行的命令，注意：一般 LU 的写是 cache 操作的，即主机数据到设备的内部 buffer，设备就会回命令完成状态给主机，但 Boot LU 和 RPMB LU 写操作不支持 cache，数据必须写到闪存中以后才算该命令完成。

2.3 UFS Transport Layer

UFS 传输层的事务由称为 UFS 协议信息单元 （UPIU） 的数据包组成，主机是启动器，设备是目标。有不同类型的 UPIU 用于处理 SCSI 命令、数据操作、任务管理操作、查询操作等。每笔交易包括：

• 一个命令 UPIU；
• 零个或多个数据输入或数据输出 UPIU；
• 回应 UPIU；
• 每个 UPIU 包含一个 12 字节的标头，后跟可选字段，具体取决于UPIU的类型；
  
  

在这一层中主机和设备的交互如下：