UFS电源管理详解：从供电电压到功耗模式
UFS电源管理详解：从供电电压到功耗模式
UFS（Universal Flash Storage）作为手机存储设备，其功耗管理直接关系到手机的整体性能和续航能力。本文将深入探讨UFS的电源管理机制，包括供电电压、M-PHY的工作状态以及UFS的功耗模式，帮助读者理解UFS如何在保证性能的同时实现节能。
UFS设备主要包括三部分：前端UFS接口（M-PHY）、UFS控制器和闪存介质（图中的Memory模块）。其供电电压分为三个：VCC、VCCQ和VCCQ2。其中，VCC 给 闪存介质供电，VCCQ 一般给闪存输入输出接口 和 UFS控制器供电，VCCQ2一般给M-PHY或其它一些低电压模块供电。
UFS2.1中，三者电压值为：
- VCC：1.8V
- VCCQ：1.8V
- VCCQ2：0.9V
UFS协议采用MIPI的M-PHY作为物理层和UniPro作为其数据链路层。M-PHY有高速模式（High Speed Mode, HS-MODE）和低速模式（Low Speed Mode, LS-MODE）。其中，高速模式下，M-PHY有两种状态：STALL 和 HS-BURST。低速模式下，M-PHY有三种状态：LINE-CFG，SLEEP 和 PWM-BURST。当链路上没有数据传输时，M-PHY会自动切换到STALL或者SLEEP状态下，这两种状态为省电状态。
除此之外，M-PHY还有一种更加省电的状态，那就是HIBERN8（Hibernate，休眠状态），这种状态下，M-PHY极为省电。UFS主机和UFS设备不可能一直交互数据，总有闲下来的时候。当UFS主机没有读写UFS设备，它会让彼此链路进入休眠状态，即HIBERN8。那UFS主机如何通知M-PHY切换到休眠状态呢？
主机设备管理器可以通过原语（Primitive）直接与UFS互联层（UIC，即MIPI的UniPro和M-PHY）通信。除了上图中所示的reset原语，UFS还包括让UIC进入和退出休眠的原语：DME_HIBERNATE_ENTER和DME_HIBERNATE_EXIT。
这是UFS主机和设备之间链路的省电模式，对UFS设备来说，链路只是整个UFS设备的一部分。一个UFS设备是否省电，除了看其链路，还需要考虑UFS控制器、存储介质等是否省电，即看整个UFS设备是否有好的电源管理。
UFS定义了4种基本功耗模式：Active，Idle，Power Down和Sleep（简称AIDS），外加3个过渡功耗模式：Pre-Active, Pre-Sleep和Pre-PowerDown，一共是7种功耗模式。非常4+3！
- Active模式：UFS设备在执行命令或者做后台任务（Background Operation）时处于这种状态；
- Idle模式：UFS设备空闲时，即既没有来自UFS主机的命令，自身也没有后台任务需要处理，设备就处于该状态；
- Sleep模式：闲得瞌睡了。睡眠模式下，VCC电源可能被切断（取决UFS设备设计）。VCC一般给闪存供电，即切断闪存供电。
- Power Down模式：掉电模式下，所有电源供电VCC, VCCQ和VCCQ2都可能被掐断（取决UFS设备设计），该模式是最省电的功耗模式了。
这些模式之间的转换如下图：
触发模式之间转换的很多是SSU，那么什么是SSU? SSU是Start Stop Unit的缩写，它是UFS协议中的一个基本命令，主机用它来切换UFS设备的功耗模式。
具体命令可以参看UFS spec。注意，UFS设备的这些功耗状态，和前面说的M-PHY接口的STALL，SLEEP或者HIBERN8状态是独立的，两者没有必然联系。比如，当前M-PHY处于HIBERN8状态，UFS设备可以处于以上状态中的任何一种，比如UFS设备可以是处于Active状态，没有要求说你休眠了我也得跟着休眠。
一个优秀的UFS设备，不是等着主机发功耗切换命令来进入省电模式，而是自己能主动做一些事情来省电。比如，UFS刚上电时，UFS进入Active状态，一段时间如果没有来自主机的命令，自己内部也没有后台任务要处理，UFS设备将进入Idle状态。Idle意味着无事可做，这时候主机也没有发任何SSU命令要求UFS设备进入指定的状态，好的UFS设备，这个时候就要想想怎么去省电。举例来说，如果当前M-PHY处于HIBERN8状态，说明主机目前不会访问UFS设备，因此，UFS设备可以做一些节能设计：比如把当前UFS设备的软硬件上下文保存到闪存，然后切断所有电源以达到省电目的。待M-PHY接口退出HIBERN8状态，UFS设备上电，然后把软硬件上下文加载运行。
省电和用户体验（命令响应快慢）其实是个矛盾。因为如果UFS设备休眠了，它就不能及时的响应主机的命令，因为它需要先退出休眠（比如需要把休眠之前保存的上下文重新加载，这往往比较花时间），然后再响应主机命令。睡觉是个技术活，在追求最大节能的同时，还要兼顾用户体验。