存储相关知识④—UFS协议

一、UFS 协议概述

UFS（Universal Flash Storage，通用闪存存储）是高速串行存储接口标准，专为移动设备、嵌入式系统和车载应用设计，旨在替代传统的 eMMC 技术。

核心优势
全双工通信：支持同时读写操作，相比 eMMC 的半双工模式性能提升显著
串行差分传输：抗干扰能力强，支持更高的传输速率
分层架构设计：解耦物理层、链路层和应用层，便于技术演进
先进电源管理：多种低功耗模式，延长电池续航
命令队列机制：支持多命令并行处理，提升随机性能

版本对比

UFS 核心分层架构

UFS 采用清晰的四层分层架构。
从上到下依次为：应用层 (SCSI)、传输层 (UTP) 、链路层 (UniPro)和
物理层 (M-PHY)

应用层：SCSI 命令集

功能：定义了主机与存储设备之间的命令接口，基于 SCSI 架构模型 (SAM)

关键特性：
①兼容 SCSI 命令集：如 READ (10)、WRITE (10)、INQUIRY 等
②逻辑单元 (LU)：将存储设备划分为多个独立的逻辑单元
③Well Known LU：包括 RPMB (重放保护内存块)、Boot LU 等特殊逻辑单元
④描述符、标识和属性：用于设备识别和配置

传输层：UTP (UFS Transport Protocol)

功能：负责将应用层的 SCSI 命令封装成 UPIU (UFS Protocol Information Unit) 数据包，并通过 UniPro 链路传输

核心组件：
①UPIU：UFS 协议的基本数据单元，包含命令、数据和状态信息
②DME(Device Management Entity)：负责设备管理和配置
③命令队列：支持最多 32 个命令同时排队处理

UPIU 类型：
①命令 UPIU：主机向设备发送的 SCSI 命令
②数据输入 UPIU：设备向主机传输数据
③数据输出 UPIU：主机向设备传输数据
④响应 UPIU：设备向主机返回命令执行状态
⑤任务管理 UPIU：用于管理命令队列

链路层：UniPro

功能：提供可靠的点对点数据链路服务，相当于 “存储界的交通指挥官”

关键特性：
①链路管理：初始化、速率协商、链路状态切换
②错误检测与恢复：CRC 校验 + 自动重传机制
③流量控制：动态调整传输速率避免拥塞
④CPort 通道管理：支持多个独立的逻辑通道
⑤优先级调度：TC0 (高优先级) 和 TC1 (低优先级)

物理层：M-PHY

功能：负责电气信号的传输和接收，定义了物理层的电气特性、时钟同步机制和低功耗模式

关键特性：
①支持多种 Gear 模式：PWM-G1~G7 (低速) 和 HS-G1~G6 (高速)
②差分信号传输：抗干扰能力强，适合高速数据传输
③多种电源状态：Sleep、Stall、Burst 等，实现动态功耗管理
④信号完整性技术：预加重、均衡器、时钟数据恢复 (CDR)

UFS关键技术特性

一、全双工通信

UFS 采用独立的发送和接收通道，支持同时进行读写操作，这是相比 eMMC 半双工模式的最大优势之一，在多任务场景下性能提升尤为明显。

二、 命令队列 (Command Queue)

UFS 支持最多 32 个命令同时排队处理，设备可以根据命令的优先级和数据位置进行优化调度，大幅提升随机读写性能。

三、电源管理

UFS 提供了多种精细的电源管理模式，
包括：
①Active 模式：正常工作状态
②Idle 模式：低功耗待机状态
③Sleep 模式：深度休眠状态，功耗极低
④Deep Sleep 模式(UFS 3.1 新增)：进一步降低待机功耗
⑤Hibernate 模式：关闭大部分电路，仅保留必要的唤醒电路

四、RPMB(Replay Protection Memory Block)

①提供安全的存储区域，用于存储敏感数据如密码、指纹、加密密钥等
②支持重放保护和身份验证，防止恶意攻击
③广泛应用于移动支付、设备加密等安全场景

五、 WriteBooster 写入加速

①UFS 3.1 引入的关键特性，通过 SLC 缓存技术提升写入性能
②将部分 TLC/QLC 闪存模拟成 SLC 模式，提供更快的写入速度
③UFS 4.1 进一步增强，支持主机调整缓冲区大小和部分刷新操作

六、Zoned UFS(ZUFS)

①UFS 4.0 及以上版本支持的分区存储模型
②将存储设备划分为多个区域，要求每个区域内的写入必须是顺序的
③大幅减小 FTL (Flash Translation Layer) 的 L2P 映射表大小，降低对 SRAM 的需求
④与 F2FS 文件系统完美兼容，特别适合移动设备和 AI 应用场景

UFS 和 eMMC 对比