NVME协议总结

NVMe over PCIe协议，定义了NVMe协议的使用范围、指令集、寄存器配置规范等。

1?NVMe SSD
1.1基本架构
整体来看，NVMe SSD可以分为三部分，host端的驱动（NVMe官网以及linux、Windows已经集成了相应的驱动）、PCIe+NVMe实现的控制器以及FTL+NAND Flash的存储介质。

为了便于理解主机和NVMe设备的关系，我们这里简化NVMe设备的内部结构。如图所示为NVMe白皮书中的配图，这里主机称为Host，而NVMe设备称为Controller（控制器）。主机和控制器之间通过共享内存的队列实现交互。

NVMe的队列分为2种，其中一种是用于管理的队列，称为Admin Queue（管理队列），仅有一个，另外一种是命令队列（Command Queue），最多可以有65535个。其中命令队列的数量和模式都是通过管理队列来设置的。其中每一个队列实际上是一个队列对，也就是包括两个队列，分别是提交队列（Submission Queue）和完成队列（Completion Queue）。提交队列用于主机端向NVMe设备发送NVMe命令，而完成队列则用于NVMe设备向主机反馈命令执行情况。实际上NVMe还有另外一种模式，就是多个提交队列共享同一个完成队列的情况。其实这里提交队列和完成队列就是内存的一个区域。在数据结构原理上这里的队列其实是一个环形缓冲区。

1.2 NVMe控制器
NVMe控制器实质上为DMA + multi Queue，DMA负责数据搬运（指令+用户数据），多队列负责发挥闪存的并行能力。

NVMe协议的原理也是如此，它本质是上建立了多个计算机与存储设备的通路，这样搬运数据的速度自然就提高了。在NVMe协议中，多个通路其实就是多个队列，具体如图7所示。在SATA中计算机与存储设备只能有一个队列，即使是多CPU情况下，所有请求只能经过这样一个狭窄的道路。而NVMe协议可以最多有64K个队列，每个CPU或者核心都可以有一个队列，这样并发程度大大提升，性能也自然更高了。

目前基于SCSI协议的SAS和SATA只能是单个队列而且每个队列的深度也比较低，分别是254和32的队列深度。而NVMe协议设计之初就考虑了该问题，它的最大队列数量可以是64K（65535个命令队列和1个管理队列），而每个队列的深度可以高达64K。

NVMe通过一种门铃机制(Doorbell)来告知控制器命令队列是否有新数请求/命令。也就是说每个队列都有一个门铃指针。对于发送队列来说，这个指针表示的是发送队列的尾指针。主机端将数据写入到发送队列后，更新映射到位于设备寄存器空间中的门铃的尾指针。此时，在控制器端就知道有新的请求/命令到来，接下来就可以进行对其进行处理。

当控制器完成一个NVMe请求时，通过完成队列来把完成的结果告知主机端。与发送队列不同，完成队列是通过中断机制（可以是INTx，MSI或MSIx）告诉主机端。如图4是一个命令的完整处理流程。

2 核心概念
2.1 Namespace
Namespace是一定数量逻辑块（LB）的集合，属性在Identify Controller中的数据结构中定义。

2.2 Fused Operations
Fused Operations可以理解为聚合操作，只能聚合两条命令，并且这两条命令在队列中应保持相邻顺序。协议中只有NVM指令才有聚合操作。还需要保证聚合操作的两条命令读写的原子性，参考Compare and Write例子。

2.3 指令执行顺序
除了聚合操作（Fused Operations），每一条SQ中的命令都是独立的，不必考虑RAW等数据相关问题，即使考虑，也是host应该解决的问题。

2.4 写单元的原子性
控制器需要支持写单元的原子性。但有时也能通过host配置Write Atomicity feature，减小原子性单元的大小，提高性能。

2.5 元数据
数据的额外信息，相当于提供校验功能。可选的方式。

2.6 仲裁机制
用来选择下一次执行的命令的SQ的机制，三种仲裁方式：
1.RR（每个队列优先级相同，轮转调度）
2.带权重的RR（队列有4种优先级，根据优先级调度）
3.自定义实现

2.7 逻辑块（LB）
NVMe定义的最小的读写单元，2KB、4KB……，用LBA来标识块地址，LBA range则表示物理上连续的逻辑块集合。

2.8 Queue Pair
由SQ（提交队列）与CQ（完成队列）组成，host通过SQ提交命令，NVMe Controller通过CQ提交完成命令。

2.9 NVM 子系统
NVM子系统包括控制器、NVM存储介质以及控制器与NVM之间的接口。

3 NVME命令

下图是NMVe命令的具体格式，如果大家了解TCP/IP协议或者SCSI协议，那么理解本图将相当容易。在图4中每一行为8个字节，命令大小总共为64字节。

其中Command Identifier标识一个具体的命令。Namespace Identifier则表示命令发送到那个命名空间。Data Pointer 1 和Data Pointer 2则用于标识数据的具体位置。

这里有两点需要说明：

• NVMe的一个控制器下面可以有多个命名空间（Namespace），通过Namespace ID来标识的。
• 命令与数据是分离的，并不像TCP那样数据在命令后面。

我们这里重点介绍一下Command Identifier，该字段占用4个字节的空间。虽然仅有4个字节，但有分为3大部分，6小部分，具体如图6所示。

我们以从低位到高位的顺序分别介绍一下各个字段的含义：

• OPC： 全称为Opcode，也就是被执行命令的操作码。具体来说就是想让控制器干什么，比如读数据、写数据或者刷写等。

• FUSE： 全称为Fused Operation， 用于标识该命令是普通命令还是复合命令。如图8是白皮书对该字段的说明。

• PSDT： 全称为PRP or SGL for Data Transfer，这个用于说明存储数据的内存的组织形式。

4 NVME性能

通过上图可以清楚的看到SAS和SATA设备与NVMe设备的性能差异，特别是对于读操作，NVMe有绝对的性能优势。