Development and accurate simulation of UFS

一、什么是UFS

UFS（Universal Flash Storage）即通用闪存存储，是一种将Nand Flash和Flash controller 协议接口封装在一起的存储系统。主要用于数码相机、智能电话等消费电子产品使用的闪存存储规范。它的设计目标是发展一套统一的快闪存储卡格式，在提供高数据传输速度和稳定性的同时，也可以减少消费者对于市面上各种存储卡格式的混淆和不同存储卡转接器的使用。

二、UFS的发展史

UFS是由存储芯片制造商联盟JEDEC（Joint Electron Device Engineering Council）制定的一种闪存存储器标准，这个组织也称为固态技术协会。

1、UFS 1.0：标准诞生于2011年，但是，UFS1.0相较于eMMC并没有实质上的优势，所以并没有得到大规模的使用。

2、UFS 2.0：2013年9月，JEDEC发布了UFS 2.0，2.0版本提供了更高的链路带宽以提高性能，扩展了安全功能并提供了其他省电功能。按照数据来看，UFS 2.0提供了HS-G2和HS-G3（可选）两个传输信道，理论带宽分别为5.8Gbps（725MB/s）和11.6Gbps（1450MB/s），速度上大大超过了eMMC 5.0的400MB/s理论带宽。从2016年开始，随着UFS2.0实现量产以及手机处理器逐渐加入对UFS2.0的支持，UFS2.0闪存开始被主流旗舰手机所青睐。

3、UFS 2.1：2016年，JEDEC又发布了UFS 2.1的通用闪存标准，2017年UFS 2.0开始向UFS 2.1标准升级，其可选的HS-G3通道也逐渐成为了“必选”。

4、UFS 3.0：2018年1月30日JEDEC发布了UFS标准3.0版，该版本是针对需要高性能、低功耗的移动应用和计算系统而开发的。此外，UFS 3.0还使用MIPI M-PHY v4.1和UniProSM v1.8，具有更高的每通道11.6 Gbit / s数据速率（1450 MB / s）。其中，UFS 3.0是第一个引入了MIPI M-PHY HS-Gear4标准的闪存存储，单通道带宽提升到11.6Gbps，由于UFS的最大优势就是双通道双向读写，所以接口带宽最高23.2Gbps，也就是2.9GB/s，这个数据也是HS-G3（UFS 2.1）性能的2倍。2019年下半年大多数的主流旗舰机，也都选用了UFS 3.0。由此可见，通用闪存存储产品开始渐入佳境。

5、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”——SLC非易失性缓存，可提高写入速度。“DeepSleep”——增加了一种新的低功耗状态，降低UFS的工作压力和减少对稳压器的唤醒来达到降低功耗的目的，延长设备的电池续航时间。以及“Performance Throttling Notifications（性能节流通知）”——当高温导致存储性能下降时，UFS设备可以通知主机，主机性能增强器功能是可选的。

6、UFS 4.0：2022年8月18日，JEDEC正式发布了 UFS 4.0 标准，UFS 4.0的速度是UFS 3.1的两倍，使手机体验更快。UFS 4.0 的读取速度从上一次迭代的 2100 MB/s 增加到 4200 MB/s。写入速度也从 UFS 3.1 中的 1200 MB/s 提高到 UFS 4.0 中的 2800 MB/s。

三、UFS的组成

1、UFS主控芯片：主要负责管理和控制卡内的存储芯片以及与主机设备之间的数据传输和通信。

2、闪存控制器：存储器控制器是UFS芯片中的核心组件，负责管理和控制存储器的读写操作。它接收来自主机设备的指令，解析和执行这些指令，并管理数据的缓存和传输。

3、发送接收端口：这些接口电路负责与主机设备进行通信，处理和调整数据的传输速率和电信号。

4、控制器处理器（可选）：一些较高级的UFS芯片可能集成了控制器处理器，用于执行更复杂的存储控制和管理功能。这些处理器可以协助存储器控制器执行错误检测和纠正、数据压缩和加密等任务。

5、闪存存储芯片：UFS芯片中的闪存存储芯片是用于实际存储数据的部分，通常是基于NAND Flash技术制造的，具有快速的数据传输速度和较大的存储容量。

6、外壳和连接器：UFS卡通常采用坚固的外壳和合适的连接器，以提供保护和方便的插拔接口。

四、UFS的特点

1、高性能：UFS提供了高速的数据传输速度，可达到吉比特级别的传输速率。它采用高速串行接口，实现了快速的读写操作，支持多通道操作以提高并发性能。eMMC 5.1的理论最大读取速度可达到400 MB/s，最大写入速度可达到200 MB/s。

2、大容量：UFS支持多个存储芯片的并行操作，从而实现了高容量的存储解决方案。它的容量范围从几十GB到几TB不等。UFS3.1和UFS4.1标准支持更大的存储容量。目前市面上的UFS存储器可以提供高达1TB的容量，足以满足日益增长的数据存储需求。

3、低功耗：UFS在设计上考虑了低功耗，以满足移动设备等电池供电应用的需求。它支持快速进入和退出休眠状态，以降低待机功耗，并优化了数据传输算法以降低活动功耗。

4、可靠性：UFS提供了高度可靠的数据完整性保护和错误检测与纠正（ECC）功能，以确保存储数据的可靠性。它还支持高级闪存管理功能，如坏块管理和写入放大抑制，以延长存储器寿命并提高可靠性。

5、兼容性：UFS具有较高的兼容性，可以与现有的存储接口标准（如eMMC）和文件系统兼容。这意味着现有的设备可以通过简单的硬件和软件更新来支持UFS存储。总的来说，UFS是一种高性能、高容量和低功耗的闪存存储器解决方案，适用于移动设备和消费电子产品。

五、UFS需要做哪些仿真

5.1 M-PHY接口仿真

M-PHY基于MIPI（Mobile Industry Processor Interface，移动产业处理器接口），是在移动系统中使用的串行通信协议。

1、一般这类接口都是进行IBIS-AMI仿真，用户会获得一个模型的文件包，其结构大致如下：

· 其中doc中包含的是User Guide以及release notes（非必须），内容大致包含了版本更新的内容以及案例本身的一些参数设置说明。当不明白参数如何设置的时候，可以参考此处的文档。

·Ibis文件夹中包含的是仿真所需要的*.ibs文件，设置均衡参数的*.ami文件以及辅助计算的*.dll/so 动态库文件。以上三种类型的文件缺一不可。

·pkg文件夹中包含了发送和接收端的封装信息，以S参数的形式体现，通常仿真中是需要包含两部分的S参数。

2、打开巨霖科技的仿真工具SIDesigner：

3、导入文件后搭建如下原理图：

4、双击TX端器件进行参数设置，如下图：

在红框的位置会显示选中model所对应的ami和dll文件名，如果没有显示，则代表该案例的文件结构非法，需要手动调整（通常在相同文件夹内）。

5、设置仿真速率以及调整AMI文件的参数，如下图：

本例中，tx端包含了增益模式（Gain Mode），预加重（Deemphasis Mode）以及高速信道的选择（HS Gear）。

同样，在RX端也需要进行AMI参数的设置，区别只是参数内容不同。

6、参数设置好后点击仿真，出现如下图结果：

得到结果后，可以根据工具内自带的测量工具以及MASK来衡量指标。

5.2 NAND Flash 仿真

NAND 是一种并行传输的接口，会在后续的并行接口仿真中进行介绍，这里就不展开了。

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