UFS协议—新手快速入门（一）【1-4】

本篇旨在为初学者提供关于通用闪存存储（UFS）的快速入门指南。

目录

一、背景介绍

二、UFS

三、半双工和全双工

（1）半双工（Half-Duplex）

（2）全双工（Full-Duplex）

 四、芯片内部结构

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UFS协议—新手快速入门（二）【5-6】

UFS协议—新手快速入门（三）【7-9】

UFS协议—新手快速入门（四）【10】

UFS协议—新手快速入门（五）【11-13】 

一、背景介绍

UFS（Universal Flash Storage）的发展历史可以概括如下：

1. 起源：UFS标准的起源可以追溯到2011年，由固态存储协会（JEDEC）制定，最初设计是为了替代eMMC（embedded Multimedia Card）标准1011。

2. UFS 1.0：UFS 1.0在2011年诞生，但相较于eMMC并没有实质上的优势，因此并没有得到大规模的使用10。

3. UFS 2.0：2013年9月，JEDEC发布了UFS 2.0，该版本提供了更高的链路带宽以提高性能，并扩展了安全功能10。

4. UFS 2.1：2016年，JEDEC发布了UFS 2.1的通用闪存标准，UFS 2.1开始向UFS 2.0标准升级，其可选的HS-G3通道也逐渐成为了“必选”10。

5. UFS 3.0：2018年1月30日，JEDEC发布了UFS 3.0版，该版本是为需要高性能、低功耗的移动应用和计算系统而开发的，使用了MIPI M-PHY v4.1和UniPro v1.8，具有更高的每通道11.6 Gbit/s数据速率10。

6. UFS 3.1：2020年1月30日，JEDEC发布了UFS 3.1标准，相比于之前的版本，UFS 3.1更新了三个部分，包括Write Booster、DeepSleep和Performance Throttling Notifications10。

7. UFS 4.0：UFS 4.0是该标准的最新迭代，于2023年正式发布，标志着存储技术的又一次重大飞跃。UFS 4.0在性能、能效和安全性方面均有显著提升，整合了MIPI M-PHY 5.0和UniPro 2.0技术，理论接口速度提升至每通道23.2Gb/s11。

UFS协议，由固态技术协会JEDEC制定，其发展始于2011年UFS 1.0版本的发布，旨在解决eMMC 5.1协议在传输速度提升上的局限性。尽管UFS 1.0在初始阶段并未对eMMC构成明显优势，但其架构的先进性为后续升级提供了广阔空间。随着UFS 2.1的推出，其在传输速率、数据吞吐量以及能效比等方面对eMMC形成了压倒性优势，确立了UFS作为未来存储技术主流的发展方向。

我们知道计算机系统的核心组件包括中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和存储设备。CPU负责执行计算和控制操作，RAM提供临时数据存储，而存储设备则用于持久化数据存储。在移动设备领域，如智能手机，同样存在类似的三大组件：中央处理单元（CPU）、动态随机存取存储器（DRAM）和非易失性存储设备。

由于移动设备的紧凑性，其存储设备必须为电子存储介质，即闪存，以适应其空间限制，而无法采用机械硬盘（HDD）这类机械存储设备。固态硬盘（SSD）作为电子存储设备，使用闪存作为存储介质，与移动设备中的存储设备在技术上是一致的。

目前，智能手机已成为人们不可或缺的个人设备，对手机性能的期望也随之提高，包括处理速度、存储容量和系统流畅性。为了满足这些需求，手机制造商不断提升中央处理单元（CPU）的性能，增加动态随机存取存储器（DRAM）的容量，并采用更快速的非易失性存储解决方案。在CPU、DRAM和存储设备这三大核心组件中，存储设备往往是性能瓶颈。随着CPU和DRAM性能的显著提升，存储设备的性能提升也变得至关重要，以避免成为整体系统性能的限制因素。

随着闪存技术的不断进步，无论是个人电脑还是智能手机，其存储设备的速度都在显著提高。在个人电脑领域，硬盘从机械硬盘（HDD）向固态硬盘（SSD）转变，进一步从SATA接口的SSD发展到使用PCIe接口的NVMe SSD，实现了存储速度的飞跃。在智能手机领域，存储介质也经历了从Secure Digital（SD）卡到嵌入式多媒体卡（eMMC）再到通用闪存存储（UFS）的演进，其中UFS因其高速性能已成为高端旗舰手机的标准配置。

闪存（Flash Memory），作为一种非易失性电子存储介质，以其芯片形态存在，具有体积小、重量轻、功耗低等优点，非常适合用于便携式设备如智能手机和USB闪存驱动器。闪存的读写速度在性能优化后远超传统的永久性存储介质，如磁性硬盘和光刻光盘。基于闪存技术的固态硬盘（SSD）因其快速的读写性能，已成为消费级市场中速度最快的存储解决方案之一。

在智能手机领域，闪存通常被错误地称为ROM（Read-Only Memory，只读存储器），尽管实际上它们是可读写的。这种误称源于历史习惯，类似于个人计算机领域将所有永久性存储器统称为磁盘。智能手机中的闪存是集成了主控制器和存储颗粒的嵌入式芯片，根据其协议和接口的不同，主要分为两类：嵌入式多媒体卡（eMMC）和嵌入式通用闪存（eUFS），后者通常简称为UFS。这些闪存产品通常带有数字后缀，表示其遵循的协议版本号。对于普通消费者而言，只需了解UFS在性能上普遍优于eMMC，且在相同类型的闪存中，数字后缀越大，性能越优。

二、UFS

UFS，这位存储界的超级马拉松选手，自从它在2011年的起跑线上亮相以来，就一直在以闪电般的速度刷新着记录。不仅拥有高速串行接口这样的"超跑"引擎，还搭载了全双工操作的"双涡轮加速器"，让读写操作可以同时进行，比起那些还在半双工道路上慢慢悠悠的eMMC来说，UFS简直就是在高速公路上飙车。

而UFS标准，更是集成了高级命令队列和多线程技术这样的"智能导航系统"，让数据处理速度和存储效率得到了质的飞跃。这就像是给UFS装上了一台超级大脑，让它在数据赛道上能够精准超车，轻松应对各种复杂的路况。

到了UFS 4.0这一代，它就像是穿上了喷气背包，直接在存储技术的宇宙中来了个"星际穿越"。2023年的发布，不仅仅是一个新版本的推出，更像是一场科技界的"大爆炸"。UFS 4.0整合了MIPI M-PHY 5.0和UniPro 2.0技术，速度提升到了每秒46.4Gb/s，这几乎让UFS 3.1看起来像是在跑步机上慢跑。这样的速度，让5G时代的高速数据传输和低延迟应用就像是在玩"过家家"。

UFS 4.0就像是存储界的"超级英雄"，不仅速度快得让人眼花缭乱，而且还能效高、安全性强，简直是科技界的"全能战士"。未来的移动设备，如果搭载了UFS 4.0，那就是装备了最先进的"科技武器"，无论是在数据赛道上，还是在性能战场上，都将所向披靡。

UFS之所以能够成为存储界的"速度之王"，主要得益于以下几个关键因素：

1. 差分串行传输：UFS采用了差分信号传输方式，这种传输方式就像是高速公路上的"双车道"，可以大大提高数据传输的稳定性和抗干扰能力。相比之下，eMMC的并行传输就像是"单车道"，一旦遇到干扰，就容易发生"交通堵塞"。

2. 串行传输：UFS的串行传输方式允许使用更快的时钟频率，这就像是给数据传输装上了"涡轮增压器"，让数据传输速度得到了极大的提升。而时钟信息嵌入数据流中的设计，更是让UFS在高速传输时能够保持信号的完整性和准确性。

3. 多通道数据传输：UFS支持多通道数据传输，最多可以支持两个通道。这种设计就像是给UFS提供了"多任务处理"的能力，可以在成本、功耗和性能之间做出灵活的取舍，满足不同设备的需求。

4. 全双工操作：UFS的全双工操作模式，意味着读写操作可以同时进行，这就像是给UFS装上了"并行处理器"，大大提高了数据的处理速度和效率。而eMMC的半双工模式，就像是单核处理器，读写操作需要排队等待，效率自然不如UFS。

这些数据表明，随着UFS版本的升级，其单通道最大带宽和最大有效带宽都有显著提升，这反映了UFS技术在数据传输速度上的持续进步。

三、半双工和全双工

（1）半双工（Half-Duplex）

• 定义：半双工是一种通信模式，其中设备可以发送和接收信号，但不能同时进行发送和接收。通信是交替进行的，要么是发送要么是接收。
• 例子：传统的对讲机就是半双工通信的例子，用户可以按下一个按钮来发送消息，松开按钮则可以接收消息。
• 特点：
  • 成本较低：实现半双工通信的设备通常成本较低。
  • 简单：技术实现相对简单。
  • 效率问题：由于不能同时发送和接收，通信效率可能较低。

（2）全双工（Full-Duplex）

• 定义：全双工是一种通信模式，其中设备可以同时发送和接收信号，无需等待当前操作完成。
• 例子：现代电话系统就是全双工通信的例子，通话双方可以同时说话和听对方讲话。
• 特点：
  • 效率：全双工通信可以提高通信效率，因为数据可以连续不断地双向流动。
  • 复杂性：技术实现相对复杂，可能需要更高级的硬件和软件支持。
  • 带宽要求：全双工通信通常需要专用的发送和接收通道，因此对带宽有更高的要求。

在UFS（Universal Flash Storage）和eMMC（embedded MultiMediaCard）的上下文中，UFS支持全双工操作，这意味着它可以同时进行读写操作，从而提高数据传输的效率和速度。相比之下，eMMC通常支持半双工操作，读写操作不能同时进行，这限制了数据传输的效率。

想象一下你和你的朋友在公园里聊天：

半双工就像你们俩聊天时，一次只能有一个人说话。如果你想说点什么，你的朋友就得停下来听你说。同样，如果你朋友想说，你就得安静下来听。你们不能同时说话，因为这样谁也听不清谁。这就像是走一条单行道，每次只能有一个方向的交通流动。

全双工则像你们俩可以同时说话，而且都能听到对方在说什么。这就像是有两条并行的道路，一条用于去程，另一条用于返程，所以交通可以双向同时流动，没有干扰。

在技术领域，半双工和全双工描述的是设备如何发送和接收数据：

• 半双工：设备一次只能发送数据或者接收数据。就像你们轮流说话，设备必须等待当前操作完成后才能开始另一个操作。
• 全双工：设备可以同时发送和接收数据。就像你们可以同时说话并听到对方，设备可以同时进行数据的读写操作，大大提高了效率。

 四、芯片内部结构

上图展示了一个简化的系统架构，其中包括了CPU（中央处理器）、SRAM（静态随机存取存储器）、UFS（通用闪存存储）接口以及闪存控制器。

1、CPU（中央处理器）：

• CPU是整个系统的大脑，负责执行程序指令和处理数据。
• 它通过各种接口与系统中的其他组件进行通信。

2、SRAM（静态随机存取存储器）：

• SRAM是一种高速缓存存储器，通常用作CPU的一级或二级缓存。
• 它为CPU提供快速的数据访问，以提高系统的整体性能。

3、UFS接口：

• UFS接口是连接CPU和UFS存储设备的桥梁。
• 它允许数据在CPU和UFS存储器之间传输，支持全双工通信，即同时进行读写操作。

4、闪存控制器：

• 闪存控制器是管理UFS闪存存储器的组件，负责处理来自CPU的数据读写请求。
• 它控制数据流，确保数据正确地存储到闪存中，或者从闪存中读取到CPU。

5、闪存：

• 闪存是非易失性存储介质，即使在断电的情况下也能保持数据不丢失。
• 在UFS系统中，闪存是主要的存储设备，用于存储操作系统、应用程序和用户数据。

整个系统的工作原理是：CPU执行程序并处理数据，需要读写数据时，通过UFS接口发送请求到闪存控制器，然后由闪存控制器管理数据在CPU和闪存之间的传输。SRAM在这个过程中起到快速缓存的作用，以减少CPU的等待时间，提高数据处理速度。