当前位置:   article > 正文

UFS协议—新手快速入门(一)【1-4】

ufs协议

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


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。

声明:本文内容由网友自发贡献,不代表【wpsshop博客】立场,版权归原作者所有,本站不承担相应法律责任。如您发现有侵权的内容,请联系我们。转载请注明出处:https://www.wpsshop.cn/w/Li_阴宅/article/detail/1018577
推荐阅读
相关标签
  

闽ICP备14008679号