UFS基础概述_TomgZHE研习社

内容纲要

一、UFS设备硬件框架
UFS设备和控制器之间，如下图所示：
RST_N 复位：就是恢复设备初始上电状态；
时钟：用来做数据传输的参考时钟，目前时钟的速率是一定的，19.2MHz、26MHz、38.4MHz，这个时钟速率就只有这几类，不能变化。
DIN_TC：就是设备输入数据，就是Host给到UFS的数据，这个是差分线传输，就是需要两根线传输。
DOUT_TC：就是设备输出数据，也就是UFS给到Host的数据，这个也是差分线传输。
目前来看一般是DIN_TC 和DOUT_TC都是各有两组，我们其实可以称之为2lane（如同mipi dsi）。

完整描述如下：

二、UFS协议架构图
协议主要分四个部分，分别为协议栈、UFS寄存器、UFS电气特性以及UFS功能特性
协议栈:
类似于网络协议栈，要了解UFS的应用层、传输层、链路层、物理层之间的关系及作用，了解UPIUSCSI命令帧格式。
UFS寄存器:
通过控制这些寄存器，来控制UFS部分功能和属性。学习过程中要注意这些寄存器的属性（即是否可读可写等），大概了解器的功能即可。
UFS电气特性:
比较UFS是颗芯片，是存在现实中的一个硬件设备。那么就应该要了解UFS样片供电应该是多少伏？ CLK是多少？几路信据传输？等各种物理特性。
功能特性：
UFS的一些重要功能/机制，包含读、写、任务队列，以及优先级等方式；

UFS只有传输层是JEDEC自己定义的,其他三层都是是别人的，命令层是T10的，数据链路层和物理层是MIPI的。详细版本如下所示：

UFS思维导图如下：

三、UFS 顶层协议框架
UFS主要可分为应用层、传输层、交互层。传输层(UTP)主要将上层的协议封装成合适的框架传输给下层；交互层(UIC)用于处理UFS host与device之间的连接。

UFS命令采用简化的SCSI命令，主要包含SCSI Primary Commands命令和SCSI Block Commands命令详细见下表：

1.设备管理器则是应用层中的设备管理器则负责管理UFS的一系列的任务（包含设备功耗管理、设置数据传输等），主要有以下两种操作方式：

1）处理设备级操作：
包括管理设备功耗、设置数据传输相关参数、使能/禁止设备后台操作(Background Operation)以及其它设备相关操作,如下图所示：

2）管理设备级配置：
通过维护和存储一系列描述符进行请求或修改设备配置,如下图所示：

2.任务管理器则是用于管理命令队列中的命令。任务管理器可以发Abort命令，终止之前发下去的命令；也可以清空命令队列中的所有命令。任务管理器命令如下：

3.UFS传输层为它上面的应用层服务。当传输层收到应用层命令或者请求后，它会产生UPIU(UFS Protocol Information Unit)，把命令块或者请求封装成固定格式的数据结构，然后交由下层传到接收端的传输层和命令相关的数据、状态，也有相应的UPIU数据包。UPIU是主机和设备进行信息交换的基本数据单元。一个命令或请求的执行包含以下三个阶段：
1）命令阶段：主机发起命令或请求给设备；
2）数据阶段：传输跟命令相关的数据，非必须有数据；
3）状态阶段：设备执行完命令，必须给主机返回命令执行状态信息。

每个UPIU都有一个12Bytes的Header，再加上跟每个UPIU对应相关的域。一个UPIU（包括Header）最小为32字节，最大为65600字节。

UPIU主要分为：
1）命令或请求UPIU；
2）数据传输UPIU；
3）状态UPIU；
4）其他UPIU。

UFS 逻辑单元LU：
UFS最多可拥有32个普通LU和4个Well Known LU，普通LU的逻辑块大小至少是4KB，但RPMB LU逻辑块大小为256B。
BOOT Well Known LU：就是用来存储启动代码的LU；
REPORT Well Known LU：用来代表设备向主机汇报设备LU清单；
DEVIDE Well Known LU：用于针对整个UFS发命令时，该LU就成为命令的接收对象；

四、UFS初始化启动
1.UFS初始化与启动包含三阶段: 局部初始化、加载启动代码(可选)、初始化完成。
上电后，硬件复位或EndPointReset，在该阶段结束后，UniPro（M-PHY）启动顺序将会完成，UTP层可以访问设备描述符; 通过访问设备描述符去判断启动代码是否在UFS设备上，以及在哪个LU中，查到后即可读取该LU获得启动代码。前两阶段完成后，主机将fDeviceInit标志设置为01h，以完成其初始化。当初始化完成后，设备将会重置fDeviceInit标志，主机轮询fDeviceInit标志以检查进程是否完成，当fDeviceInit被重置时，设备就完成初始化了。

2.UFS RPMB LU(Replay Protected Memory Block)
RPMB用于为存储区域提供需要认证的读写保护，并在此基础上，提供了重放保护——防止了恶意者利用过期消息对该区域进行重写。其RPMB已知逻辑单元的大小最小为128Kb，最大为16M。每个RPMB都有自己的密匙、写计数器、结果寄存器、逻辑地址从0开始。

3.UFS电源管理
UFS支持多种电源模式，通过START STOP UNIT命令和一些设备属性控制电源模式，UFS的电源模式是独立于总线状态的，UFS可支持多达16种不同Active配置(Active模式下能源消耗级别，16级)，UFS设备电源工作模式可分为五种基本的和四种过渡模式，以降低能源损耗。

4.UFS 命令任务队列
执行命令的逻辑单元支持两种优先级：
High priority—具有更高优先级请求的逻辑单元；命令发送到该LU中，则相对发往非优先级的LU具有更高优先级；
No priority—使用于所有的常规的不属于High priority的逻辑单元。

5.任务内部优先级可以分为以下几种：
Simple：Simple命令在head of queue和之前的ordered命令处理之前不会被处理；
Order：顺序执行，ordered在head of queue和之前的命令处理之前不被处理；
Head of Queue：命令排到队列头部。
ACA：Not Used。