存储笔记--NVMe原理篇

参考：http://home.eeworld.com.cn/home.php?mod=space&uid=346593&do=blog&id=272657

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NVMe 是什么？

NVMe(Non-VolatileMemory express),是一种建立在M.2接口上的类似AHCI的一种协议,是专门为闪存类存储设计的协议。中文名 NVMe协议 外文名 Non-Volatile Memory express。NVMe具体优势包括

nvme 处于什么位置？

NVMe是一种Host与SSD之间通讯的协议，它在协议栈中隶属高层

为什么需要nvme?

• NVMe是为SSD所生的。NVMe出现之前，SSD绝大多数走的是AHCI和SATA的协议，后者其实是为传统HDD服务的。与HDD相比，SSD具有更低的延时和更高的性能，AHCI已经不能跟上SSD性能发展的步伐了，已经成为制约SSD性能的瓶颈. SATA现在最高带宽就是600MB/s
• 可降低延迟超过50%;
• NVMe PCIe SSD可提供的IOPs十倍于高端企业级SATA SSD;
• 自动功耗状态切换和动态能耗管理功能大大降低功耗;-

命令如何执行？

NVMe有两种命令，一种叫Admin Command，用以Host管理和控制SSD；另外一种就是I/O Command，用以Host和SSD之间数据的传输

支持的admin command

支持的io command

下发命令流程

NVMe内部：Submission Queue （SQ），Completion Queue（CQ）和Doorbell Register （DB）。
SQ和CQ位于Host的内存中，DB则位于SSD的控制器内部。

SSD作为一个PCIe Endpoint通过PCIe连着Root Complex （RC）, 然后RC连接着CPU和内存。
RC就是CPU的代言人
SQ位于Host内存中，Host要发送命令时，先把准备好的命令放在SQ中，然后通知SSD来取；CQ也是位于Host内存中，一个命令执行完成，成功或失败，SSD总会往CQ中写入命令完成状态。
Host发送命令时，不是直接往SSD中发送命令的，而是把命令准备好放在自己的内存中，那怎么通知SSD来获取命令执行呢？Host就是通过写SSD端的DB寄存器来告知SSD的：

流程步骤图

• 有两种SQ和CQ，一种是Admin，另外一种是I/O，前者放Admin命令，用以Host管理控制SSD，后者放置I/O命令，用以Host与SSD之间传输数据。
• 但系统中只有一对Admin SQ/CQ，它们是一一对应的关系；I/O SQ/CQ却可以很多，多达65535（64K减去一个SQ/CQ）
• Host端每个Core可以有一个或者多个SQ，但只有一个CQ。给每个Core分配一对SQ/CQ好理解，为什么一个Core中还要多个SQ呢？一是性能需求，一个Core中有多线程，可以做到一个线程独享一个SQ；二是QoS需求，什么是QoS？Quality of Service，服务质量。实际系统中用多少个SQ，取决于系统配置和性能需求，可灵活设置I/O SQ个数
• nvme 白皮书配置

• 作为队列，每个SQ和CQ都有一定的深度：对Admin SQ/CQ来说，其深度可以是2-4096（4K）；对I/O SQ/CQ，深度可以是2-65536(64K)。队列深度也是可以配置的。AHCI只有一个命令队列，且队列深度是固定的32
• 每条命令大小是64字节，每条命令完成状态是16字节；

详解

DB的另外一个作用，就是通知作用：Host更新SQ Tail DB的同时，也是在告知SSD有新的命令需要处理；Host更新CQ Head DB的同时，也是在告知SSD，你返回的命令完成状态信息我已经处理，同时表示谢意。

这里有一个对Host不公平的地方，Host对DB只能写，还仅限于写SQ Tail DB和CQ Head DB，不能读取DB

疑问？？
1.SSD在取指的时候，是偷偷进行的，Host对此毫不知情。Host发了取指通知后，它并不清楚SSD什么时候去取命令，取了多少命令。怎么破？

这是SSD往CQ中写入的命令完成状态信息（16字节）。是的，SSD往CQ中写入命令状态信息的同时，还把SQ Head DB的信息告知了Host！！这样，Host对SQ中Head和Tail的信息都有了，轻松玩转SQ,一开始CQ中每条命令完成条目中的”P” bit初始化为0，SSD在往CQ中写入命令完成条目时，会把”P”写成1。记住一点，CQ是在Host端的内存中，Host可以检查CQ中的所有内容，当然包括”P”了。Host记住上次的Tail，然后往下一个一个检查”P”，就能得出新的Tail了。就是这样。

总结

DB在SSD Controller端，是寄存器

DB记录着SQ和CQ的Head和Tail

每个SQ或者CQ有两个DB: Head DB 和Tail DB

Host只能写DB，不能读DB

Host通过SSD往CQ中写入的命令完成状态获取Head或者Tail