UFS Host基础特性分析

2023-10-21 04:25| 来源: 网络整理| 查看: 265

Contents UFS总体架构MPHYUniProUFSHCI UFS Host ControllerUFS系统框图UFS controller wrapper

UFS总体架构

UFS架构

UFS总体架构主要包含了UFS Host Controller部分和UFS device部分，UFS协议对应的也分为两部分：UFS Host Controller Interface协议和UFS协议。 UFS分层结构无论是UFS Host Controller部分还是UFS device部分，他们都将遵循统一的UFS规范。

UFS Application Layer (UAP)应用层 1.UFS command set (UCS)：UCS处理命令集，如读、写命令等，.使用的命令是简化的SCSI命令（基于SBC和SPC），也可以扩展UFS本地命令集，目前暂时没有定义。2.Task Manager：任务管理器用以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。 Device Manager(Query request)设备管理器用于管理UFS设备，包括： 1.处理设备级操作：设备功耗管理、数据传输设置、后台操作使能和其它的特定操作。2.管理设备级配置：维护和存储一组描述符，例如查询请求命令允许修改和查询设备的配置信息。 UFS Transport Protocol(UTP)传输层主要功能在UFS host端和UFS device端传输UPIU，将应用层的命令封装成UPIU，命令的数据、状态等对应不同的UPIU。UPIU是主机和设备进行信息交换的基本数据单元，它使用数据帧可以最小限度的减少Host的处理时间，同时由device端控制数据传输的节奏，无需host端poll。 UFS Interconnenct Layer(UIC)互联层主要包括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。 MPHY

UFS具备的优势就来源于新的协议架构。和传统的eMMC相比，UFS底层采用了MPHY协议，这个是UFS底层物理信号传输协议，MPHY是有MIPI Alliance推出的PHY协议。它具有“快”和“稳”的传输特点。因为MPHY使用串行+差分的结构形式，串行保证了“快”，串行可以做到高频传输，而且没有的并行信号的相互干扰，而“稳”则由差分保证，差分传输可以相互抵消共模信号干扰。

UniPro UFSHCI

HCI UFS驱动通过UFS HCI管理UFS host controller.UFS HCI包含如下的模块。

CSR：CSR 模块通过 AHB 从接口实现软件寄存器，该接口连接到配置 NOC。通过 TR 门铃寄存器检测软件 TR 并将门铃位的索引标记到HCI TR FIFO。通过 TMR 门铃寄存器检测软件 TMR 并将门铃位的索引标记为HCI TMR FIFO。允许通过 DME 接口单元生成请求来控制 UniPro 控制器； Transfer request (TR) FIFOTMR FIFO中断聚合和生成 (IAG) 单元

Host端数据结构 UniPro层是封装在UFS这个IP里面的，其中的寄存器也是CPU不能直接访问的。UFS整个模块对外的唯一接口就是UFSHCI（UFS Host Controller Interface）。CPU通过两条总线来实现对UFS的控制和数据交互，分别是APB和AXI总线。在下图中，左边的UFSHCI 寄存器，通过APB总线进行访问，其地址空间通过ioremap在内核申请虚拟地址空间即可被CPU直接访问；右边方框则是数据部分，有dma_alloc接口进行申请，通过AXI总线进行访问。 UFSHCI

UFS host驱动通过分配和使用UTRD描述符和UTMRD描述符来与host控制器硬件通信。host控制器系统内存可以同时接受多达32个UTRD描述符和8个UTMRD描述符。每个UTRD描述符指向了一块内存区域，这块内存区域包含：命令UPIU(UCD)，response UPIU，并包含了一块物理区域描述符表（PRDT），表中每一项指向一个数据buffer，存储需要传输的数据（command upiu）或要接收的数据(response upiu)。UCD的command和response将被分别组装成UPIU并通过UTP层进行传输。上图所示的数据结构为：

左侧UFSHCI寄存器分布分成6块，Host Controller capability、Interrupt and host status、UTP Transfer Request、UTP Task Managerment Request、UIC Command、Vendor Specific。UTP Transfer Request这一块的寄存器提供了指向UTRD(UTP Transfer Request Decriptor)list的指针地址。UTRD有0~31个，即32个，意味着UFS拥有32个slot，SOC层可以同时接收32个请求。32个UTRD是物理连续的，这点很重要，因为连续，所以可以直接根据slot序号直接获取到UTRD。UTRD里面包含了UPIU的地址，UPIU的size是固定的，否则AXI怎么能准确的把response信息填充到对应请求的Response UPIU里面呢。同样Response UPIU数据格式固定。如果UTRD里面有数据读写需求，那么需要填充PRDT（Physical Region Description Table）。PRDT指向的Data buffer不是连续的，而是离散状，因为PRDT是个表，所以这个表里面可以存放很多不连续的Data buffer地址，对应一个个的segment。1个Data buffer的size最大不能超过64K，这个是由芯片内部决定的，因为这个size涉及到一个数据包单元DATA OUT/IN UPIU的长度，也是一次底层数据包传输的长度，但是PRDT表的个数可以自己确定，一般软件定义为128个，那么一个UTRD也就是一个请求可以最大传输64K * 128 = 8M。在实际应用中一个读写请求如果size过大，如1000M，则会被上层切割，比如1M，所以底层的size是足够的。.除了32个UTRD外还有8个UTMR，顾名思义，这个是任务管理请求，对上面的32个请求的状态进行查询，如果说32个UTRD理解为工人，这8个UTMD可以理解监工，查询是否工作完成，如果工作在预期时间内没有完成的也可以执行abort操作，然后重新下发请求或者进行复位器件等相关的异常处理。

UFSHCI寄存器上面的寄存器CPU可以通过APB总线直接读写，而UniPro的寄存器则可以通过上面的四个UCI Command寄存器完成。寄存器就是芯片的API接口，通过这4个UIC寄存器就可以实现对UniPro各层和MPHY的所有寄存器的读写操作。

UFS Host Controller UFS系统框图

UFS系统框图 UFS控制器有如下的接口：

AHB Interface：用于软件访问、控制器编程和初始化；它作为一个AHB从机连接在芯片的配置NOC上，以75MHz的频率工作。AXI master Interface：用于与系统内存之间的数据传输；它作为一个AHB主机连接在系统的NOC上，以200MHz的频率工作。 UFS host控制器功能：从芯片的全局时钟控制器（GCC）接收时钟。维护连接到应用程序 QGIC 的专用中断输出线。通过标准参考 M-PHY 模块接口 (RMMI) 连接到 M-PHY。M-PHY 有一个到 UFS 设备的差分串行接口。这作为双单工 Tx/Rx 每个方向有两条道的接口。 UFS controller wrapper

UFS UTP Controller UTP 控制器为硬件和软件实现了标准的主机控制器接口 (HCI)。

UTP控制器在输出数据传输时工作：接受来自软件的命令生成输出的UPIU传输事务通过 CPort 将UPIU发送到 UniPro 控制器 UTP控制器在输入数据传输时工作：通过 CPort 从 UniPro 控制器接收输入的 UPIU 事务 -通过 HCI 将接收到的数据移动到指定的系统内存中的缓冲区

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