NVDIMM ABC

NVDIMM概述

1、简介

顾名思义，NVDIMM是Non-Volatile DIMM（非易失性内存）的简称。作为系统掉电后仍然保证数据不丢失的重要硬件，NVDIMM和NVRAM的功能类似，都是在系统掉电时仍然能够保证一部分内存里的数据不会丢失，并且当系统上电后数据能够自动恢复到内存当中。和NVRAM不同的是，NVRAM要么是把数据写回到PCIE接口的独立卡上，要么是依赖于独立的后备电池给DRAM在系统掉电时供电，而NVDIMM是把数据写回到自带的FLASH芯片上去。另外一个不同时，NVDIMM本身不需要额外的硬件设计，也不占用PCIE通道资源，它只用主板上DIMM上没有占用的DIMM插槽。

2、原理

从硬件的角度看，NVDIMM可以看作由四部分组成：用作内存的DRAM,保存数据的FLASH，控制两者并和CPU交互的中心控制模块（FPGA），以及在系统掉电后为前面三者提供暂时后备电源的超级电容。当系统掉电时，NVDIMM上的中心控制模块能够检测到，并且触发DRAM进入异步刷新模式，

当CPU cache、write combining buffer、store buffer中的数据都写回到DRAM后，中心控制模块再把DRAM里的数据写到NVDIMM上的FLASH里面去，相应数据的校验值也会写道FLASH。类似地，在系统上电后，NVDIMM上的中心控制模块先于CPU接管其上的DRAM，它初始化DRA，进行一些读写测试，确保无误后，通过校验值检查FLASH上是否有之前保存的完整数据，如果之前保存到FLASH里的数据完整，就把它写回到DRA。完成这些步骤后，中心控制模块再把DRAM的控制权交还给CPU，此后CPU可以像对待普通的NVDIMM一样往NVDIMM上的DRAM里读写数据。

3、核心IP

通过以上对硬件的分析，可以看到NVDIMM最核心的IP就是中心控制模块的设计，它既是DRAM控制器，又含有FLASH控制器，还能监控CPU以及主板上的相关信号，此外还能生成校验值。这也就难怪为了保护知识产权，为什么现在市面上能买到的NVDIMM上的中心控制模块，都用FPGA的形式实现。

此外，为了确保每次掉电NVDIMM都能保证把DRAM的内容保存到FLASH里面去，作为临时后备电源的超级电容的续航能力和稳定性尤其重要。否则就可能出现DRAM的内容没有全部备份到FLASH里去，超级电容的电量就已耗尽的情况，这就根本起不到掉电保护数据的作用。因此，超级电容的稳定性、续航能力决定了整个NVDIMM的稳定性和强壮程度。

当然，为了保证数据一致性，特别是能把掉电之前NVDIMM的DRAM所对应的 在cache、write combining buffer、store buffer里的任何数据都写回到FLASH，需要系统软硬件的综合设计，这就要求处理器厂商、主板厂商、NVDIMM厂家、BIOS厂商一起协作，设计好实现的方法。

4、使用方法

从系统软件的角度来看，NVDIMM既可以当作一个透明的DRAM，也可视作一个字符设备。但无论如何，使用的时候它必定需要映射到用户可以访问的地址空间。同设备内存、独立显存的地址映射类似，NVDIMM上的DRAM可以支持uncache、write through、write combine这三种映射模式。当然如果硬件和系统软件能够自动写回cache以及write combining buffer和store buffer的内容到DRAM, cached的映射模式也是可以的。

5、应用场景

因为NVDIMM能够保证掉电基本不丢数据，因此它特别适合对数据完整性要求苛刻的场景，比如某些需要实时交易的金融行业、重要的信息平台等。此外，因为NVDIMM还能够上电后很快从NVDIMM上的flash恢复数据，它也可以用来加速系统的启动，显著地减少系统宕机时间，这对那些servie on time以及基本不允许宕机的应用来说特别有用。

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