新思科技NVMe VIP：高層次視圖

概述

NVM Express 或非易失性內(nèi)存主機(jī)控制器接口（其先前名稱為 NVMHCI，現(xiàn)在縮寫為 NVMe）是一種基于主機(jī)的軟件接口，旨在通過 PCIe 結(jié)構(gòu)與固態(tài)存儲設(shè)備進(jìn)行通信。目前的 Synopsys NVMe 驗(yàn)證 IP （VIP） 是一個(gè)綜合測試工具，由兩個(gè)主要子系統(tǒng)組成——第一個(gè)是 SVC（系統(tǒng)驗(yàn)證組件），第二個(gè)是 SVT（系統(tǒng)驗(yàn)證技術(shù)）。SVC 層與實(shí)際的 NVMe（和 PCIe 等）協(xié)議層相關(guān)聯(lián)。SVT 為 UVM 和其他方法（如 VMM 和 OVM）提供了驗(yàn)證方法接口。

盡管VIP支持多個(gè)版本的VIP，但我們最初將與版本無關(guān)，更多地談?wù)搮f(xié)議的一般情況，以便提供協(xié)議及其在VIP中的支持的10，000'視圖。未來的討論將更深入地探討 NVMe 的特定細(xì)節(jié)和驗(yàn)證 IP 的功能。

您可以在此處了解有關(guān) Synopsys 針對 NVMe 的 VC 驗(yàn)證 IP 的更多信息。

NVMe簡介

與根和端點(diǎn)基本相等的PCIe不同，NVMe的非對稱關(guān)系更接近其他存儲協(xié)議（例如SATA，光纖通道）。

NVMe 命令（例如識別、讀取、寫入）在主機(jī)上啟動并轉(zhuǎn)換為 NVMe 請求，然后將其附加到主機(jī)內(nèi)存中的特定提交隊(duì)列。將命令插入隊(duì)列后，主機(jī)將寫入控制器上的每個(gè)隊(duì)列門鈴寄存器（控制器位于 PCIe 端點(diǎn)上）。此門鈴寫入喚醒控制器，然后控制器探測隊(duì)列中是否有新請求。它讀取隊(duì)列條目，執(zhí)行命令（可能從主機(jī)內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)），最后將完成追加到完成隊(duì)列中，然后通過中斷通知主機(jī)。主機(jī)喚醒，從隊(duì)列中彈出該完成操作，并將結(jié)果返回給用戶。

使用兩種主要類型的隊(duì)列：

管理隊(duì)列 – 這些隊(duì)列用于配置和管理控制器的各個(gè)方面。每個(gè)控制器只有一對管理隊(duì)列。

I/O 隊(duì)列 – 這些隊(duì)列用于移動 NVMe 協(xié)議特定的命令（例如讀取、寫入）。每個(gè)控制器最多可以有 64K 個(gè) I/O 隊(duì)列。

隊(duì)列的每個(gè)隊(duì)列都有尾（生產(chǎn)者）和頭（使用者）指針。尾部指針指向要向其添加條目的下一個(gè)可用條目。在生產(chǎn)者將條目添加到隊(duì)列后，他會遞增尾指針（考慮到一旦它到達(dá)隊(duì)列的末尾，它將回繞到零 - 它們都是循環(huán)隊(duì)列。如果頭指針和尾指針相等，則隊(duì)列被視為空。

使用者使用她的頭指針來確定從隊(duì)列中開始讀取的位置;在檢查尾指針并確定隊(duì)列為非空后;她將在閱讀每個(gè)條目后遞增頭部指針。

提交隊(duì)列的尾指針由主機(jī)管理;將一個(gè)或多個(gè)條目推入隊(duì)列后，尾指針（遞增）通過提交隊(duì)列門鈴寄存器寫入控制器?？刂破骶S護(hù)頭部指針，并在收到尾部指針更新的通知后開始讀取隊(duì)列。它可以繼續(xù)讀取隊(duì)列，直到為空。當(dāng)它使用條目時(shí)，頭部指針會更新，并通過完成隊(duì)列條目發(fā)送回主機(jī)（見下文）。

同樣，完成隊(duì)列的尾部由控制器管理，但與主機(jī)不同，控制器僅維護(hù)尾部指針的私有副本。存在新完成隊(duì)列條目的唯一指示是可以輪詢的完成隊(duì)列條目中的位。一旦主機(jī)確定某個(gè)條目可用，它將讀取該條目并更新頭指針?？刂破魍ㄟ^主機(jī)寫入完成隊(duì)列門鈴寄存器來通知頭指針更新。

請注意，NVMe 控制器完成的所有工作都由控制器本身拉入或推出該控制器。主持人只是將工作放入主機(jī)內(nèi)存并按門鈴（“您有一個(gè)提交條目要處理”）。稍后，它從完成隊(duì)列中收集結(jié)果，再次按門鈴（“我已完成這些完成條目”）。因此，控制器可以自由地與主機(jī)并行工作;例如，不需要對完成進(jìn)行排序 - 控制器可以對它的工作進(jìn)行排序，無論如何它感覺就像。

那么，我們在主機(jī)和控制器之間來回移動的這些隊(duì)列條目是什么？

第一個(gè)是提交隊(duì)列條目，這是一種 64 字節(jié)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，主機(jī)使用它將命令請求傳輸?shù)娇刂破鳎?/p>

每個(gè)命令一個(gè)提交隊(duì)列條目排隊(duì)到相應(yīng)的管理員或 I/O 隊(duì)列。操作碼指定要執(zhí)行的特定命令，命令標(biāo)識符是命令的唯一標(biāo)識符（與提交隊(duì)列 ID 結(jié)合使用時(shí)）。

除了使用隊(duì)列條目來回移動信息外，主機(jī)還可以在主機(jī)內(nèi)存中分配數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。這些緩沖區(qū)可以是連續(xù)的（由其基址和長度定義），也可以是分布在內(nèi)存周圍的一組數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。后者使用稱為PRP列表和分散-聚集列表（SGL）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來定義其位置。當(dāng)主機(jī)需要將這些緩沖區(qū)移入/移出控制器時(shí)（例如，用于讀取或?qū)懭朊睿鼘⒃谥鳈C(jī)內(nèi)存中分配適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并在將隊(duì)列條目寫入該控制器之前，將這些緩沖區(qū)的這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的信息寫入上述 PRP1 和 PRP2 字段。

元數(shù)據(jù)（例如端到端數(shù)據(jù)保護(hù)）也可以通過兩種方式與 NVMe 命令一起傳遞。它可以與數(shù)據(jù)一起在帶內(nèi)發(fā)送（即它與每個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)相鄰），也可以帶外發(fā)送（即它作為單獨(dú)的數(shù)據(jù)流發(fā)送）。在SCSI術(shù)語中，它們分別稱為數(shù)據(jù)完整性字段（DIF）和數(shù)據(jù)完整性擴(kuò)展（DIX）。后者使用上述元數(shù)據(jù)指針。我們將在以后的劇集中詳細(xì)討論這一點(diǎn)。

當(dāng)我們實(shí)際向控制器上的非易失性存儲寫入/讀取時(shí)，我們會寫入命名空間。 在其他存儲技術(shù)中，還有其他類似的容器 - 例如SCSI中的LUN。命名空間對于控制器是唯一的，也可以在多個(gè)控制器之間共享。無論如何，請求中的命名空間 ID 字段確定要訪問的命名空間。某些命令不使用命名空間字段（然后設(shè)置為 0），其他命令可能需要處理所有命名空間（然后將命名空間 ID 設(shè)置為 0xffff_ffff）。

在完成端，有一個(gè)類似的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即完成隊(duì)列條目：

需要注意的幾點(diǎn)：

提交隊(duì)列 ID 需要顯式顯示在完成隊(duì)列條目中，因?yàn)槎鄠€(gè)提交隊(duì)列可以共享一個(gè)完成隊(duì)列。

如上所述，提交隊(duì)列頭指針由控制器維護(hù)。當(dāng)控制器更新該頭指針時(shí)，它需要將這些更新發(fā)送回主機(jī)，允許主機(jī)重用這些隊(duì)列條目，直到并包括新頭）。

狀態(tài)字段實(shí)際上由幾個(gè)子字段組成，并且有大量的錯(cuò)誤狀態(tài)代碼。

相位標(biāo)記提供了一個(gè)可以輪詢的位（如果主機(jī)驅(qū)動程序軟件愿意，而不是純粹的中斷驅(qū)動）。如果在檢查隊(duì)列的尾條目時(shí)階段標(biāo)記發(fā)生更改，則可以推斷有新條目要檢查。

為了介紹可用的命令，我們將在此處列出其中的一些命令：

創(chuàng)建管理隊(duì)列 – 實(shí)際上本身不是一個(gè)命令，這是對 NVMe 控制器的寄存器寫入，用于定義管理員提交和完成隊(duì)列。NVMe 寄存器集具有少量用于基本配置、控制和狀態(tài)的寄存器。

創(chuàng)建 I/O 隊(duì)列 – 用于創(chuàng)建提交和完成隊(duì)列的命令。

識別 – 幾個(gè)命令允許請求有關(guān)控制器和附加到控制器的命名空間的各種信息。

設(shè)置/獲取功能 – 設(shè)置 NVMe 特定“功能”（例如可配置設(shè)施）的方法。

讀/寫 – 這就是我們真正在這里的原因：從/向附加到控制器的命名空間讀取和寫入數(shù)據(jù)。

由于一個(gè)活躍的團(tuán)隊(duì)正在推動開發(fā)，NVMe 一直在添加更多的命令和功能。

審核編輯：郭婷