NVMe 协议详解

• 1. 综述
• • 1.1名词解释
  • • 1.1.1 Namespace
    • 1.1.2 Fused Operations
    • 1.1.3 指令执行顺序
    • 1.1.4 写单元的原子性
    • 1.1.5 元数据
    • 1.1.6 仲裁机制
    • 1.1.7 逻辑块（LB）
    • 1.1.8 Queue Pair
    • 1.1.9 NVM 子系统
  • 1.2 NVMe SSD
  • • 1.2.1基本架构
    • 1.2.2 NVMe控制器

1. 综述

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。

1.1名词解释

1.1.1 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。

1.1.2 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。

1.1.3 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。

1.1.4 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。

1.1.5 元数据

数据的额外信息，相当于提供校验功能。可选的方式。

1.1.6 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

1.1.7 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。

1.1.8 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。

1.1.9 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。

1.2 NVMe SSD

1.2.1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。

1.2.2 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。