蛋蛋读UFS之二：UFS协议栈

任何一种接口或者协议，都是由一个完整的协议栈组成的。UFS也不例外。

UFS定义了一个完整的协议栈。从上到下，依次为应用层、传输层、数据链路层和物理层。UFS使用MIPI（Mobile Industry Processor Interface ，移动产业处理器接口）联盟的UniPro作为数据链路层和MIPI的M-PHY作为物理层，两者合起来称之为互连层（UFS InterConnect Layer）。与之相比，PCIe接口只定义了下三层（如下图），没有应用层。只有加上上层NVMe，才构成一个完整的SSD通讯协议。

目前UFS没有定义自己的命令（没有UFS Native Command Set），使用的命令是简化的SCSI命令（基于SBC和SPC），由INCITS T10组织定义的。关于SCSI相关协议，大家可以参看相应的spec。
四层中，只有传输层是JEDEC自己定义的。所以，UFS四层中有三层是别人的，命令层是T10的，数据链路层和物理层是MIPI的，传输层是JEDEC自己的。JEDEC移花接木的水平真是高。不由的想到一个广告：“我们不生产水，我们只是大自然的搬运工！”

UFS至今已经有五个版本，每层的版本也不尽相同。

我们依次来看看这几层。

UFS应用层
应用层包括UFS命令集、设备管理器（Device Manager）和任务管理器（Task Manager）。应用层处于整个协议栈的最高层，所有的命令或者请求都来源于该层。它是最高统帅，所有的战术和策略都是它制定的，然后真正去冲锋陷阵的是将军和士兵（应用层下面的传输层和内联层）。
命令集
如前所述，目前UFS没有定义自己的命令，使用简化的SCSI命令。
其中包括一些SPC（SCSI Primary Commands）命令：

和一些SBC（SCSI Block Commands）命令：

UFS除了定义基本的读写命令，也有trim命令（UNMAP），还有其它一些命令。我们不打算深入其中。

设备管理器
顾名思义，设备管理器用以管理UFS设备。
设备管理器有两个功能：一是处理设备级操作，二是管理设备级配置。
前者包括管理设备功耗、设置数据传输相关参数、使能/禁止设备后台操作（Background Operation）以及其它设备相关操作。
后者通过维护和存储一系列的描述符（Descriptor，后面有章节介绍），通过诸如Query请求修改或获取设备的配置信息。
从UFS层次架构图来看，设备管理器既可以通过下层的传输层为其服务（通过UDM_SAP）：

设备管理器也可以绕过传输层（通过UIO_SAP），直接管理与控制互联层：

设备管理器可以通过互联层提供的接口（UIO_SAP），使用一系列的原语（Primitive）直接控制操作互联层（UIC）。这些原语包括重启设备、重启互联层、让物理层进入和退出休眠模式（Hibernate）等原语。
总之，设备管理器既可以走常规渠道（通过传输层，以数据包UPIU的形式），也可以走快速通道（发送UIC能理解的命令，原语的形式）管理和操作设备。

任务管理器
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。具体如下：

当某个命令超时时，系统可能发Abort命令把这个命令终止掉。

UFS传输层

传输层为它上面的应用层服务。当传输层收到应用层命令或者请求后，它会产生UPIU(UFS Protocol Information Unit)，把命令块或者请求封装成固定格式的数据结构，然后交由下层传到接收端的传输层。和命令相关的数据、状态，也有相应的UPIU数据包。UPIU是主机和设备进行信息交换的基本数据单元。
UPIU，和SATA中的FIS，PCIe中的TLP，是同一层次的东西，上层命令或者数据都是通过此类数据包封装起来，然后传输到接收端。
如果说应用层是统帅的话，传输层可以认为是将军了。
下一章节为专门介绍UPIU，这里就不细讲。

UFS互联层

UFS互联层包括MIPI UniPro和M-PHY，分别充当UFS数据链路层和物理层的角色。数据链路层负责主机和设备的链接，物理层传输实实在在的物理信号。
UniPro其实不仅仅只定义了数据链路层，它本是也是一个比较完整的协议栈，如下图所示：

传输层（L4）支持多设备之间的双向连接，但UFS只支持CPort0；
网络层（L3）支持通过设备ID寻址多达128个设备，但由于UFS是点到点传输，所以无需网络层；
数据链路层（L2）支持流控、CRC生成和校验、重传机制等，UFS利用了UniPro的数据链路层为主机和设备之间通讯提供可靠的连接。

物理层（M-PHY）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。
关于MIPI UniPro和M-PHY，读者可以看相关的spec，这里不细讲。

本章对UFS协议栈做了简单介绍，下一章将会对传输层发起的UPIU进行详细的介绍。