UFS深入浅出 第三章 UFS状态图解 第一节UFS 电源状态图解

Chapter 3 UFS State Diagram

第三章 UFS状态图解

Section 1 UFS Power State transition Diagram

第一节UFS电源状态转移图解

There are mainly 6 states for Power State transitions in UFS, which are Power-On mode, Active mode, Idle mode, Sleep mode, Deep-Sleep mode, and Power-Down mode. Each mode is related to Power supply status together with physical line status.

UFS主要有六种电源状态转移的状态，它们还上电模式，活动模式，空闲模式，睡眠模式，深度睡眠模式以及下电模式。每一个模式都和电源供应以及物理线状态有关。

Power-On and Power-Down mode are simple, which represent the power supply on and off separately. Power supply here means VCC for NAND Flash and VCCQ（or VCCQ2）for UFS controller. Active mode is the one that system bus is busy for data transmission with full system power supply. Idle mode is the scenario when there is no activity on the bus, M-PHY line status could be SLEEP（Low-Speed negative differential signal Diff_n）, STALL(High-Speed negative differential signal Diff_n) or HIBERN8（Hibernate, Differential signal Zero）. However, in Idle mode, the power supply is still on.

上电模式和下电模式非常简单，分别代表电源开和关。电源这里指的是给NAND闪存用的VCC和给UFS控制器用的VCCQ（或者VCCQ2）。活动模式是在电源满负荷供应的时候系统总线忙于数据传输的模式。空闲模式是总线上没有行为的场景，M-PHY的线路状态可以是SLEEP（低速的差分信号负电平Diff_n）, STALL（高速的差分信号负电平Diff_n）或者是HIBERN8（休眠，差分信号0电平）。不过，在空闲模式下电源仍然是开的。

Sleep mode is the one to save power while Deep Sleep mode goes even deeper for power saving. In both modes, VCC might be turned off. Then why we say Deep Sleep mode has got deeper power saving compared to Sleep mode? In sleep mode, M-PHY Line status could be SLEEP, STALL or HIBERN8(recommended). While for Deep Sleep Mode, M-PHY interface is in so called UNPOWERED state. That’s to say Deep Sleep Mode could save power from VCCQ to reduce UFS controller power consuming. It’s the reason why in Deep Power mode, only Hardware Reset or Power cycle is accepted, and no other command are allowed to exit from it, since most UFS controller modules are inactive.

睡眠模式是为了省电，而深度睡眠模式则省电更深一些。两种模式下，VCC都可以关闭。那么为什么说深度睡眠模式相比睡眠模式更省电呢？在睡眠模式下，M-PHY线路状态可以是SLEEP，STALL以及HIBERN8（推荐）。而在深度睡眠模式，M-PHY接口是在所谓断电状态的。也就是说深度睡眠模式可以减少UFS控制器的耗电来从VCCQ上省电。这也是为什么在深度睡眠模式，不允许别的命令而只接受硬件复位或者电源断通来退出这种状态，因为UFS控制器里的模块几乎都不活跃。

SCSI command SSU (Start Stop Unit) is used for power mode change. The basic function of SSU is used for the Start or Stop Logic Unit as its name with parameter START set to ‘1’ or ‘0’。The add-on function of SSU is important as well for power mode switch with parameter PC (Power Condition) setting. PC (Power Condition) 1, 2, 3 and 4 represent Active, Sleep , Power Down and Deep Sleep mode separately.

电源模式改变使用SCSI命令SSU（开始停止单元）。SSU的基本功能就像这个命令的名字一样是开始或者停止逻辑单元，这个是通过设置START参数为‘1’或者‘0’。SSU的附加功能噎同样重要，这个是通过PC（电源条件）参数设定来切换电源模式。PC（电源条件）1，2，3，4分别代表活跃，睡眠，下电和深度睡眠模式。

We do not talk much here on the power mode with prefix presented in dotted box, this is to put emphasis on the 6 main power modes for easy understanding.

这里我们不多谈在虚线框里的带前缀的电源模式，这个也是为了重点强调主要的6种模式以便于理解。

NOR Flash 和 NAND Flash 的区别

参考于《ARM嵌入式系统开发典型模块》一书，仅用于笔记学习，如果侵删

Flash Memory是一种非易失性的存储器。

Flash 按照结构可以分为 nor flash 和 nand flash两大类，两者的读取速率差不多。

NOR flash的特点就是芯片内执行，这样应用程序可以直接在 flash 内存内运行，不必再把代码读到系统 RAM 中。nor flash 的传输效率很高，在1~4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。

鉴于NOR Flash擦写速度慢，成本高等特性，NOR Flash主要应用于小容量、内容更新少的场景，例如PC主板BIOS、路由器系统存储等。

NAND FLASH写入性能好，大容量下成本低。目前，绝大部分手机和平板等移动设备中所使用的eMMC内部的Flash Memory都属于NAND FLASH。PC中的固态硬盘中也是使用NAND FLASH。

NAND flash 结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用nand flash 的困难在于flash 的管理和需要的特殊接口。

总结nor flash 和 nand flash的差别在以下的几个方面

1、容量和成本

nor flash 的容量大小为1MB~32MB ,而nand flash 的为16MB~512MB。nand flash 的单元尺寸几乎是nor flash 的一半，由于生产的过程更为简单，因此价格也是相对低。

2、性能差别

（1）nor flash 的读速度比 nand flash稍快一些

（2）nor flash 的写入速度比 nand flash 慢了很多

（3）nand flash 的4ms擦除速度远比nor flash 的5s 快

（4）nand flash 的擦除单元更小，相应的擦除电路也久更小

3、接口差别

nor flash 的接口和RAM一样，而 nand flash 是使用I/O口来串行地存取数据。

3.1 NOR Flash根据与CPU端接口的不同，可以分为Parallel NOR Flash和SPI NOR FLASH两类。

NAND FLASH 需要通过专门的NFI（NAND FLASH Interface）与Host端进行通信，如下图所示：

4、易用性

使用nor flash 的相对简单，可以非常直接地使用基于 nor flash 地内存，可以像其他存储器那样连接，还可以直接在上面运行代码

而使用 nand flash 的话就复杂了，需要I/O接口，必须先写入驱动程序，才可以继续执行其他的操作。

5、耐用性

在nand flash内存中的每个块的最大擦除写次数是100万次，而nor flash 的擦写次数是10万次。

NAND FLASH根据每个存储单元内存储比特个数的不同，可以分为SLC（Single-LevelCell）、MLC（MulTI-LevelCell）和TLC（Triple-LevelCell）三类。其中，在一个存储单元中，SLC可以存储1个比特，MLC可以存储2个比特，TLC则可以存储3个比特。每一个存储单元内部通过不同的电压等级来表示其所存储的信息。在SLC中，存储单元的电压被分为两个等级，分别表示0和1两个状态，即1个比特；在MLC中，存储单元的电压则被分为4个等级，分别表示00011011四个状态，即2个比特位；同理，在TLC中，存储单元的电压被分为8个等级，存储3个比特信息。

NAND FLASH的单个存储单元存储的比特位越多，读写性能会越差，寿命也越短，但是成本会更低。

6、坏块处理

nand flash 器件中的坏处是随机分布的

nand flash 器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。在已制成的器件中，如果通过可靠的方法不能进行这项处理，将导致高故障率。

7、位交换

所有flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下(很少见，nand flash发生的次数要比nor flash多)，一个比特位会发生反转或被报告反转了。

一位的变化可能不很明显，但是如果发生在一个关键文件上，这个小小的故障可能导致系统停机。如果只是报告有问题，多读几次就可能解决了。当然，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。位反转的问题更多见于NAND闪存，NAND的供应商建议使用NAND闪存的时候，同时使用EDC/ECC算法。

这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。当然，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时，必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。

8、主要用途

nor flash常用于保存代码和关键数据。nand flash 用于保存数据。

9、软件支持

当讨论软件支持的时候，应该区别基本的读/写/擦操作和高一级的用于磁盘仿真和闪存管理算法的软件，包括性能优化。

在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持，

在NAND器件上进行同样操作时，通常需要驱动程序，也就是内存技术驱动程序(MTD)，

NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。

使用NOR器件时所需要的MTD要相对少一些，许多厂商都提供用于NOR器件的更高级软件，这其中包括M-System的TrueFFS驱动，该驱动被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等厂商所采用。

驱动还用于对DiskOnChip产品进行仿真和NAND闪存的管理，包括纠错、坏块处理和损耗平衡。

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