一、UFS简介
随着智能手机的快速发展，手机已经变成了一种生活中的必需品。人们对于智能手机的要求也越来越高。卓越的手机性能可以给用户带来指尖跳舞的感觉。为了满足这种需求，各大厂家对手机的CPU，内存，存储设备都投入了大量的研发。现在CPU和内存的发展已经是相当地迅速，运行速度在成倍增长。但是传统的存储设备运行速度已经远远落后于CPU和内存。高速的CPU和内存搭配低速的存储设备，就像是大牛拉小车发挥不出自己的优势。所以对于快速存储设备的需求尤为迫切，从而有了UFS(Universal Flash Storage)的诞生。
二、UFS与eMMC
说起UFS，必须要讲讲它的前辈eMMC。eMMC是一种嵌入式多媒体卡，是由JEDEC协会所制定的一种嵌入式非易失性存储器。它采用并行传输技术，读写必须分开执行，虽然仅提供单路读写功能，但仍具备体积小、高度集成与低复杂度的优势。目前最新的 eMMC 5.1 标准，连续读取速度约为 250MB/s。
UFS最早是由JEDEC在2011年推出的，采用全新的串行传输技术，可同时读写操作。第一代 UFS 由于与当时 eMMC 标准速度差异不大，且成本较为高昂，因此并未成功普及。直至 2014 年 UFS 2.0 标准问世后，连续读取速度约达 800MB/s，UFS 才成为 Android 旗舰手机逐渐采用的标准配置。目前最新的 UFS 3.1 标准，连续读取速度约为 1,700MB/s。这时，UFS的传输速度已远远领先于eMMC。
表1：不同协议下的理想传输速度
图1：UFS 实测速度 图2：eMMC实测速度
图1，图2分别是用AndroBench实测的UFS和eMMC的读写速率。新手机发布后，很多手机测评自媒体都会使用AndroidBench测试手机的读写速率来判断其性能。对于AndroBench所测的数据，业内也是比较认可的。从图1和图2来看，UFS的速率是eMMC的两倍，但也不难发现，这一速率和理想的数据还是有差距的。理想总归是理想，实际的速率还要结合整机的性能。
为什么UFS的速率要高于eMMC?
具体有两方面的原因：
1. 数据信号的处理方式不同
UFS是差分串行传输，与单端信号传输相比，差分信号抗干扰能力强，能提供更宽的带宽处理，速度更快。eMMC使用的是并行数据传输。并行最大的问题是速度上不去，因为一旦时钟上去，干扰就变大，信号完整性无法保证。
图3：UFS与eMMC的通讯方式不同
2.协议的不同
好的器件如果没有优良的上层软件(firmware)就相当于法拉利不加98号汽油，再好也跑不快。eMMC和UFS的协议都是由JEDEC制定的，器件厂家根据协议来设计器件。eMMC的通讯方式是半双工的，读写不能同时进行。UFS是全双工通讯，读写是可以同时进行的。简单来说，eMMC的通讯方式是一种应答式的，host发送数据给eMMC 需要等eMMC应答之后才可以继续发送数据。UFS则不一样，host只管向UFS发送数据谁先完成谁先返回状态不需要等待。所以,速度就会比eMMC要快，如图3。
三、UFS架构设计
图4：UFS协议栈
整个UFS协议栈可以分为三层：应用层(UFS Application Layer(UAP))，传输层(UFS Transport Layer(UTP))，链路层(UIC InterConnect Layer(UIC))。应用层发出SCSI命令(UFS没有自己的命令使用的是简化的SCSI命令)，在传输层将SCSI分装为UPIU，再经过链路层将命令发送给Devices。下面分别介绍这三层：
1.应用层(UFS Application Layer(UAP))
- UFS command set(UCS)：使用的命令是简化的SCSI命令(SCSI Primary Command(SPC),SCSI Block Command(SBC))，如读写命令等。
- Device Manager: 用于管理UFS设备、设备集操作(对设备的工作模式或状态进行控制)，设备集配置(对设备硬件属性进行设置)。
- Task Manager：任务管理器用于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。
2.传输层(UFS Transport Layer(UTP))
这一层是JEDEC协议制定的，其他两层都是引用别人的协议。这一层也是UFS最重要的一层。在这一层将应用层的SCSI命令封装为 UFS可以识别的UPIU(固定格式的数据结构，用以传输应用层发来的命令或者请求)，通过互联层到Devices实现端到端的数据传输。
图5：UPIU的格式
最小的UPIU是32字节，根据不同的Transaction Type这个大小也是不同的。0~11是12字节的帧头。具体的UPIU类型和12字节的帧头可以参考“JESD220D_UFS3.0”，这里就不在赘述。
3.链路层(UIC InterConnect Layer(UIC))
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。
四、结语
UFS的整个架构要比eMMC的复杂，有些知识点可以用晦涩难懂来形容。十分考验个人的功底。UFS的整个系统很庞大，本文只是一个入门的介绍，如果想深入去学习，建议先啃协议，后续结合协议看代码。
作者介绍
陈豪，51CTO社区编辑，具有6年工作经验的高级系统工程师。擅长技能有Linux内嵌汇编语言，Python，C，C++，Java，Linux内核分析，智能机器人软件设计等。
参考文献：JESD220D_UFS3.0
https://blog.csdn.net/guozhidixian/article/details/112797245
https://blog.csdn.net/guozhidixian/article/details/100626691
