UFS Host基础特性分析 -- 硬件部分

UFS总体架构

    UFS总体架构主要包含了UFS Host Controller部分和UFS device部分，UFS协议对应的也分为两部分：UFS Host Controller Interface协议和UFS协议。

    无论是UFS Host Controller部分还是UFS device部分，他们都将遵循统一的UFS规范。

• UFS Application Layer (UAP)应用层
  • 1.UFS command set (UCS)：UCS处理命令集，如读、写命令等，.使用的命令是简化的SCSI命令（基于SBC和SPC），也可以扩展UFS本地命令集，目前暂时没有定义。
  • 2.Task Manager：任务管理器用以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。
• Device Manager(Query request)设备管理器用于管理UFS设备，包括：
  • 1.处理设备级操作：设备功耗管理、数据传输设置、后台操作使能和其它的特定操作。
  • 2.管理设备级配置：维护和存储一组描述符，例如查询请求命令允许修改和查询设备的配置信息。
• UFS Transport Protocol(UTP)传输层
  • 主要功能在UFS host端和UFS device端传输UPIU，将应用层的命令封装成UPIU，命令的数据、状态等对应不同的UPIU。UPIU是主机和设备进行信息交换的基本数据单元，它使用数据帧可以最小限度的减少Host的处理时间，同时由device端控制数据传输的节奏，无需host端poll。
• UFS Interconnenct Layer(UIC)互联层
  • 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。

MPHY

    UFS具备的优势就来源于新的协议架构。和传统的eMMC相比，UFS底层采用了MPHY协议，这个是UFS底层物理信号传输协议，MPHY是有MIPI Alliance推出的PHY协议。它具有“快”和“稳”的传输特点。因为MPHY使用串行+差分的结构形式，串行保证了“快”，串行可以做到高频传输，而且没有的并行信号的相互干扰，而“稳”则由差分保证，差分传输可以相互抵消共模信号干扰。

UniPro

UFSHCI

    UFS驱动通过UFS HCI管理UFS host controller.UFS HCI包含如下的模块。

• CSR：CSR 模块通过 AHB 从接口实现软件寄存器，该接口连接到配置 NOC。
  • 通过 TR 门铃寄存器检测软件 TR 并将门铃位的索引标记到HCI TR FIFO。
  • 通过 TMR 门铃寄存器检测软件 TMR 并将门铃位的索引标记为HCI TMR FIFO。
  • 允许通过 DME 接口单元生成请求来控制 UniPro 控制器；
• Transfer request (TR) FIFO
• TMR FIFO
• 中断聚合和生成 (IAG) 单元

Host端数据结构
    UniPro层是封装在UFS这个IP里面的，其中的寄存器也是CPU不能直接访问的。UFS整个模块对外的唯一接口就是UFSHCI（UFS Host Controller Interface）。CPU通过两条总线来实现对UFS的控制和数据交互，分别是APB和AXI总线。在下图中，左边的UFSHCI 寄存器，通过APB总线进行访问，其地址空间通过ioremap在内核申请虚拟地址空间即可被CPU直接访问；右边方框则是数据部分，有dma_alloc接口进行申请，通过AXI总线进行访问。

    UFS host驱动通过分配和使用UTRD描述符和UTMRD描述符来与host控制器硬件通信。host控制器系统内存可以同时接受多达32个UTRD描述符和8个UTMRD描述符。每个UTRD描述符指向了一块内存区域，这块内存区域包含：命令UPIU(UCD)，response UPIU，并包含了一块物理区域描述符表（PRDT），表中每一项指向一个数据buffer，存储需要传输的数据（command upiu）或要接收的数据(response upiu)。UCD的command和response将被分别组装成UPIU并通过UTP层进行传输。上图所示的数据结构为：

• 左侧UFSHCI寄存器分布分成6块，Host Controller capability、Interrupt and host status、UTP Transfer Request、UTP Task Managerment Request、UIC Command、Vendor Specific。
• UTP Transfer Request这一块的寄存器提供了指向UTRD(UTP Transfer Request Decriptor)list的指针地址。
• UTRD有0~31个，即32个，意味着UFS拥有32个slot，SOC层可以同时接收32个请求。32个UTRD是物理连续的，这点很重要，因为连续，所以可以直接根据slot序号直接获取到UTRD。
• UTRD里面包含了UPIU的地址，UPIU的size是固定的，否则AXI怎么能准确的把response信息填充到对应请求的Response UPIU里面呢。同样Response UPIU数据格式固定。
• 如果UTRD里面有数据读写需求，那么需要填充PRDT（Physical Region Description Table）。PRDT指向的Data buffer不是连续的，而是离散状，因为PRDT是个表，所以这个表里面可以存放很多不连续的Data buffer地址，对应一个个的segment。
• 1个Data buffer的size最大不能超过64K，这个是由芯片内部决定的，因为这个size涉及到一个数据包单元DATA OUT/IN UPIU的长度，也是一次底层数据包传输的长度，但是PRDT表的个数可以自己确定，一般软件定义为128个，那么一个UTRD也就是一个请求可以最大传输64K * 128 = 8M。在实际应用中一个读写请求如果size过大，如1000M，则会被上层切割，比如1M，所以底层的size是足够的。
• .除了32个UTRD外还有8个UTMR，顾名思义，这个是任务管理请求，对上面的32个请求的状态进行查询，如果说32个UTRD理解为工人，这8个UTMD可以理解监工，查询是否工作完成，如果工作在预期时间内没有完成的也可以执行abort操作，然后重新下发请求或者进行复位器件等相关的异常处理。

    上面的寄存器CPU可以通过APB总线直接读写，而UniPro的寄存器则可以通过上面的四个UCI Command寄存器完成。寄存器就是芯片的API接口，通过这4个UIC寄存器就可以实现对UniPro各层和MPHY的所有寄存器的读写操作。

UFS Host Controller

UFS系统框图

    UFS控制器有如下的接口：

• AHB Interface：用于软件访问、控制器编程和初始化；它作为一个AHB从机连接在芯片的配置NOC上，以75MHz的频率工作。
• AXI master Interface：用于与系统内存之间的数据传输；它作为一个AHB主机连接在系统的NOC上，以200MHz的频率工作。
      UFS host控制器功能：
• 从芯片的全局时钟控制器（GCC）接收时钟。
• 维护连接到应用程序 QGIC 的专用中断输出线。
• 通过标准参考 M-PHY 模块接口 (RMMI) 连接到 M-PHY。M-PHY 有一个到 UFS 设备的差分串行接口。这作为双单工 Tx/Rx
  每个方向有两条道的接口。

UFS controller wrapper

    UTP 控制器为硬件和软件实现了标准的主机控制器接口 (HCI)。

• UTP控制器在输出数据传输时工作：
  • 接受来自软件的命令
  • 生成输出的UPIU传输事务
  • 通过 CPort 将UPIU发送到 UniPro 控制器
• UTP控制器在输入数据传输时工作：
  • 通过 CPort 从 UniPro 控制器接收输入的 UPIU 事务
    -通过 HCI 将接收到的数据移动到指定的系统内存中的缓冲区