NVME

NVM Express ( NVMe ) 或 Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification( NVMHCIS ) 是一種開放式邏輯設備接口規(guī)范，用于訪問通過PCI Express總線連接的計算機非易失性存儲介質(zhì)。NVM 的縮寫代表非易失性存儲器，通常是 NAND 閃存，具有多種物理外形，包括固態(tài)驅(qū)動器(SSD)、PCIe 附加卡和M.2（ mSATA的后繼者 ）。

從架構(gòu)上講，NVMe 邏輯物理存儲在 NVMe 控制器芯片內(nèi)并由該芯片執(zhí)行，該芯片與存儲介質(zhì)（通常是 SSD）物理位于同一位置。NVMe 的版本更改（例如 1.3 到 1.4）已合并到存儲介質(zhì)中，并且不會影響主板、CPU 等 PCIe 借口兼容組件。

SATA和NVME外形區(qū)別 圖片來源：金士頓官網(wǎng)

FPGA實現(xiàn)NVME

NVMe協(xié)議基于PCIe協(xié)議之上實現(xiàn)NVMe Host與NVMe SSD之間高速數(shù)據(jù)通信。FPGA實現(xiàn)的簡單架構(gòu)如下：

FPGA實現(xiàn)NVME控制（圖片來源見水印）

下面介紹幾個NVME協(xié)議的實現(xiàn)的開源項目。

OpenSSD+nvme storage

介紹

OpenSSD的發(fā)展歷史如下：

nvme_comp_storage項目是基于OpenSSD的存儲系統(tǒng)，詳細的架構(gòu)如下：

兩個項目都有異常詳細的文檔介紹，鏈接如下：

其中OpenSSD是有官方網(wǎng)址的，截止發(fā)文前，官網(wǎng)訪問受限~

antmicro for nvme

該項目和上面項目類似，唯一的區(qū)別就是該項目從底層PCIe到頂層所有的代碼都是自己寫的（在PCIe項目中有介紹），不想借助官方IP的項目，這個項目很具有借鑒意義。

該項目介紹的非常項目，就不贅述了。

NVMe

介紹

本項目基于AMD-XILINX FPGA XDMA的NVME控制器，詳細的文件架構(gòu)如下：

NVMe/
├──hw/(RTLcodes)
│├──COMSTRAINTS/(Constraints:Boardconnections)
│├──IP/(IPs:ILA,XDMAIP,Boarddesign)
│├──RTL/(NVMeHardwareDriverRTLcodes)
│├──scripts/
│├──SIM/
│└──SYNTH/(NVMeHardwareDriverProjectdirectories)
├──sw/(NVMesuFileLibrary)
├──SIM/
├──README.md
├──LICENSE
└──CMakeLists.txt

具有硬件加速功能的 NVMe 控制器

介紹

NVMeCHA 是一款超低延遲和高吞吐量的 NVMe 控制器，具有高度并行、流水線和可擴展的架構(gòu)，具有一個管理控制器和多個完全硬件自動化的 I/O 控制器。管理控制器采用軟硬件協(xié)同設計，其中 NVMe 管理命令的復雜處理由軟件管理，而 PCIe 上的數(shù)據(jù)傳輸由硬件處理。這種混合架構(gòu)結(jié)合了軟件靈活性和硬件效率，減少了 CPU 資源并提高性能。I/O控制器采用高度并行和流水線的硬件架構(gòu)設計，允許并行處理許多NVMe I/O命令，而無需任何軟件干預。每個I/O控制器對應一個NVMe I/O隊列對。

該項目在 Xilinx KCU105 FPGA 板上進行驗證，該板通過 PCIe gen3 x8 接口連接到計算機。通過SPDK-Perf基準測試工具進行評估，該NVMe控制器的最大讀寫帶寬均可達到7.0GB/s，占理論PCIe帶寬的89%。最大4KB大小的讀/寫吞吐量可以達到每秒170萬次I/O操作（MIOPS）。4KB大小的平均讀/寫延遲僅為2.4μs/3.2μs。

該項目也進行論文發(fā)表： IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems，doi：10.1109/TCAD.2021.3088784。

pl-nvme

介紹

這個項目也和上面項目類似，不過性能沒有上面的架構(gòu)強。

該項目包含 Dune NvmeStorage 系統(tǒng)的源代碼以及簡單的NVMe測試環(huán)境，允許使用低級Xilinx FPGA進行接口驗證。

包含F(xiàn)PGA源代碼、仿真環(huán)境或 Nvme 測試 FPGA 固件以及 nvme_test 主機軟件。

總結(jié)

NVME部分因為基本和FPGA PCIe息息相關，所以基本和PCIe項目同時出現(xiàn)，對于想從底層開始實現(xiàn)的，強烈建議 antmicro 項目。

最后，還是感謝各個大佬開源的項目，讓我們受益匪淺。后面有什么感興趣方面的項目，大家可以在后臺留言或者加微信留言，今天就到這，我是爆肝的碎碎思，期待下期文章與你相見。

審核編輯：湯梓紅