【52】Nvme暴力热插拔对系统的要求

1、 SFF-8639
SFF-8639也叫U.2，物理结构可以兼容SAS/SATA/SATA Express/Nvme。SFF-8639详细的引脚定义可以参考PCI Express SFF-8639 Module specification。

其中比较重要的sideband信号有PWRDIS、IfDet#、PERST#、DualPortEn。
PWDIS：该信号assert时，disable SFF-8639电路的供电。
IfDet#：长针信号，是SFF-8639的detect信号，当Nvme盘插入拔插时，作为presence信号会被拉低拉高。
PERST#：PCIe的reset信号，PCIe Spec规定电源、时钟和PESRT#信号的时序。
DualPortEn：双端口盘（一般存储上会用双端口盘）该信号需要assert，如果是单端口盘则该信号de-assert。
2、 连接框图

其中CPLD模拟的PCA9555可以由真正的PCA9555芯片代替，使用CPLD模拟PCA9555完全是基于成本考虑。
3、 Nvme盘的热拔插
SFF-8639 spec定义的在位信号和PCIe的定义是有冲突的。SFF-8639规定PRSNT#和IfDet#这两个带外信号都是frist-to-mate and last-to-break的，也就是说SFF-8639规定的PRSNT#和IfDet#比PCIe带内信号要长，而PCIe specification规定的恰好相反。
下面是PCIe SFF8639 Module Specification的原话：
The SFF-8639 interface includes the PRSNT# and IfDet# signals, as an out of band presence detect mechanism, to detect the presence of the SFF-8639 module. Since PRSNT# and IfDet# are not in the last-to-mate and first-to-break group, another vendor-specific mechanism is required to provide warning of module removal。
由于历史原因（SAS盘上是没有button按钮）导致的客户操作习惯（客户换盘都是暴力拔出的），Nvme盘需要支持暴力热插拔而不是通知式热插拔。
暴力热插拔是指不提前通知驱动停IO的情况下，就把PCIe设备从系统中拔出，这样会导致存在未完成的IO。
支持暴力热插拔要求switch或者RP（如果SSD接在switch下或RP下）可以协助处理这些未完成的请求，或者host有类似的机制，针对未完成的Non posted请求，返回completion包（PCIe协议要求Non posted请求需要completion包），从而阻止host等待未完成的请求导致的超时（超时可以能导致系统crash）。这就要用到PCIe 3.1协议新增的一个重要的capability：DPC。
4、 DPC是什么
DPC全称Downstream Port Containment，这个capability是PCIe 3.1协议针对root port和switch downstream port新增的。其作用是当检查到下行口本身出现错误（什么等级的错误会触发DPC是可以配置的）或则下行口下面的设备上报错误message（什么等级的error message会触发DPC也是可以配的）可以关闭对应端口（让该端口的LSTTM进入disable状态），把PCIe traffic 拦截在该端口之下，从而阻止错误扩散。
针对未完成的Non posted的请求，root port或者switch downstream port根据DPC的设置返回completion包，completion包的状态是UR或者CA。
DPC这种机制就为系统恢复错误提供了机会，因此，可以用来实现Nvme盘的暴力热插拔的需求。
5、 实现Nvme暴力拔插的准备工作
（1） BIOS
a. 为每个端口预留资源
由于PCIe设备的枚举是遵从深度优先的原则，如果系统启动时没有带盘启动，BIOS枚举时不会为RP或者switch下行口预留资源（bus资源、memory资源、prefetchable memory资源）。后面再插入Nvme盘，由于端口资源不足，盘无法枚举进系统，除非软件重新调整资源后再枚举（这样会影响其他盘的IO）。
如果是要做整机系统卖给客户，BIOS必须要为支持热插拔的端口预留资源（按照系统支持的EndPoint需要的最大资源预留）。如果仅仅是验证芯片功能，可以让系统带着Nvme盘或接口卡启动，确保在枚举时为支持热插拔的端口分配了资源。
b. PCI Express 配置空间设置
由于PCIe配置空间有些reg是HwInit的，驱动是无法访问的，如果要支持Nvme盘的暴力热插拔，需要BIOS或者Firmware初始化一些HwInit的reg。


如果PCI Express Capabilities中的slot implemented没有实现，将会导致slot capability 无法实现。因此，PCI Express Capabilities中的slot implemented必须为1。


Link Capabitlities reg中的surprise down error report capable必须要为1，否则无法把surprise down的错误转换成DPC（如果接Nvme盘的端口不支持surprise down，则不需要修改该bit）。
Data link layer link active reporting capable最好实现，这样可以通过带内linkup和linkdown方式辅助定位Nvme是否被拔出。



Slot capabilities reg中的power controllerpresent最好能实现，这样软件可以控制槽位电源。
Hot-plug surprise必须为0（如果接Nvme盘的端口不支持surprise down的错误可以不关注该bit），hot-plug surprise是DPC实现之前传统的surprise down handling机制，其实有点掩耳盗铃的意思。由于在某些，平台上，RC收到uncorrectable error的message会导致系统crash，因此在支持热插拔时就增加了hot-plug surprise bit，当出现surprise down error时，不向host报告错误，从而阻止系统crash。这个bit只能阻止surprise down error的上报，不能处理暴力拔出时未完成的IO的导致的CPU等待超时问题，并且会影响DPC功能，属于历史遗留问题。
针对这一点PCIe spec也有详细的描述：

Hot-plug capable需要为1，否则无法支持热插拔的各种中断。
（2） 软件

当slot 有对应的能力时，软件需要打开slot ctrl capabilities对应的bit。并且根据系统要求设置DPC ctrl。

6、 Nvme暴力拔插的软件流程流程

从流程上可以看出，其实所谓的surprise add和正常的通知式热插拔的hot add没有太大区别，只是把button press中断换成了presence detect change中断。

Surprise remove流程由于没有按按钮通知Nvme驱动停止IO，将会导致有没完成的IO，这将用到DPC特性来处理这些完成的IO。