UFS 3.1协议分析(第一至四章) -- UFS概述

协议规范

    UFS3.1协议规定了UFS电气接口和存储器件的特性以及系统架构。

• 特性：低功耗、高数据吞吐量、低电磁干扰、大容量存储器子系统效率的优化
• 电气接口：使用基于MIPI M-PHY的高级差分接口；M-PHY作为物理层，MIPI UniPro作为链路层，二者结合形成UFS接口的互联。
• 架构模型：参考 INCITS T10(SCSI) SAM 标准，命令协议基于 INCITS T10(SCSI) SPC 和 SBC 标准

规范参考

    参考规范协议来自以下引用

• [MIPI M-PHY] version 4.1 物理层参考协议
• [MIPI UniPro] version 1.8 链路层参考协议
• [MIPI DDB] version 1.0 设备描述符块协议
• [MIPI AP] version 1.8 链路应用说明
• [SAM] Reversion 05 SCSI架构模型（SAM-5）
• [SPC] Revision 27 SCSI主要命令（SPC-4）
• [SBC] Revision 24 SCSI块命令（SBC-3）
• [JESD8-12A] 电源电压和接口标准
• [HBM-MM] version JEP155A.01HBM/MM 认证的 ESD 目标水平
• [CDM] version JEP157 JEDEC 推荐的 ESD-CDM 目标水平
• [HMAC-SHA] 加密用哈希算法
• [JEP106] 标准制造商识别码
• [JESD21C] 多芯片封装 (MCP) 和分立式 eMMC、e2MMC 和 UFS
• [JESD220-3] 主机性能增强（HPB）扩展规范

术语和定义

    相关术语和规范定义用于协议中

• Application Client：主机SCSI命令和任务管理功能的发起实体
• Byte：一个 8 位数据值，最高有效位标记为位 7，最低有效位标记为位 0
• CDB：命令描述块，由应用客户端发送到设备服务端，最长16字节的固定长度或者12至260字节的可变长度
• Decice ID：一个UFS设备的总线地址
• Device Server：UFS设备中用于处理SCSI命令和任务管理功能的实体
• Word：一个 16 位数据值，最高有效位标记为第 15 位，最低有效位标记为第0位
• Doubleword / Dword：一个 32 位数据值，最高有效位标记为第 31 位，最低有效位标记为第0位
• Quadword：一个 64 位数据值，最高有效位标记为第 63 位，最低有效位标记为第0位
• Gigabyte：1,073,741,824 或者 2^30字节
• Kilobyte: 1024 或者 2^10字节
• Megabyte: 1,048,576 或者 2^20字节
• Host：具有主要计算设备特征的设备或实体，包括一个或多个scsi发起方设备
• Initiator device：在事务传输中，SCSI命令请求消息发送到目标法的组织方
• Logical Unit：逻辑单元是一个总线设备的内部实体，它执行某种功能或定位总线设备内的特定空间或配置
• Logical Unit Number：一个设备中逻辑单元的身份识别号
• Segment：表示数据结构中指定数量的顺序寻址字节
• Segment ID：一个 16 位值，表示表中的索引或段描述符的地址，或者只是作为绝对地址元素的绝对值
• SCSI Request Block：一个包含多字节SCSI命令和其它命令所需附加内容的数据包，由主机生成，作用于总线设备
• Target device：在一个传输事务中，SCSI命令和请求信息的接收者
• Task：一个任务是一个 SCSI 命令，它包括完成所有数据传输的所有事务和一个满足该命令请求服务要求的状态响应
• Transaction：导致在目标设备和发起设备之间传输串行数据包的UFS原语行为
• UFS Protocol Information Unit：UFS控制器和设备之间的消息传输通过UPIU完成，这是由UFS定义的包含多种按不同信息字段排列的顺序寻址的数据结构
• Unit：一个总线设备
• Unit Attention：使用 SCSI 协议的总线设备在继续处理请求和响应之前需要得到服务的情况。

缩略语

缩写	定义
CDB	命令描述符块
CPort	CPort 是设备内 UniPro 传输层 (L4) 上的服务接入点，用于面向连接的数据传输
DMA	直接内存访问
DSC	数码相机
FFU	现场固件升级
HCI	主机控制器接口
HPB	UFS主机性能增强器
IID	发起方编号
LBA	逻辑块地址
LUN	逻辑单元号
PDU	协议数据单元
PLL	锁相环
PMP	便携式媒体播放器
PSA	生产状态意识
RFU	保留供以后使用
RPMB	重放保护内存块
SBC	SCSI 块命令
SID	段号
SDU	服务数据单元
SPC	SCSI主要命令
T_PDU	MIPI UniPro协议数据单元
T_SDU	MIPI UniPro协议服务数据单元

简单概述

    通用闪存(UFS)是一种简单的、高性能、具有串行接口的大容量存储设备，主要应用于移动系统，介于主机处理和大容量存储设备之间，具有以下特性：

通用特性

• 性能
  • 高速模式GEARs：必须支持G1、G2、G3、G4
• 主机应用
  • 移动手机、UMPC、DSC、PMP、MP3以及其他需要大容量存储，可boot大容量存储和外置卡的应用设备
• 设备类型
  • 扩展卡
  • 嵌入式设备：大容量存储和可boot大容量存储
  • 未来扩展：I/O设备、相机、无线设备等
• 拓扑类型
  • 一个设备只有一个UFS接口
• 分层结构
  • UCS：包含基于SBC和SPC的简单SCSI命令集
  • UTP：JEDEC定义的UFS支持的协议层
  • UIC：包含基于MIPI UniPro的链路层和基于MIPI M-PHY的物理层

接口特性

    电气特性和接口属性

• 三路供电：VCCQ（1.2V）、VCCQ2（1.8V）、VCC（2.5V/3.3V）
• 物理层由[MIPI M-PHY]定义的信号：400mVp（非终止）、200mVp（终止信号）
• 物理层由[MIPI M-PHY]定义的线路编码：8b10b，这种编码支持在码流中具有平衡数量的零和一的连续传输。 8b/10b 还可以检测单比特传输错误。
• 高可靠性：BER小于10^-10
• 两种信号方案：PWM低速模式与HS高速模式，多种档位都适用于高速/低速模式
• 适配：M-RX适应信道特征

功能特性

    功能特性基于NAND管理特性，包括

• 与 eMMC 类似的功能特性
• Boot操作模式，可以选择从哪个Boot LUN启动
• 具有可配置特性的多个逻辑单元，对应每个LUN可以进行单独的配置，比如写保护，逻辑块大小
• 重放内存保护块
• 可靠写操作
• 后台操作
• 安全操作、清除和擦除以增强数据安全性
• 写保护选项，支持永久和开机写保护
• 对重放保护内存块的签名访问
• 硬件复位信号
• 任务管理操作
• 电源管理操作