NVMe技术基础知识-技术圈

内容提要：NVM Express（NVMe），或称非易失性内存主机控制器接口规范（英语：Non Volatile Memory Host Controller Interface Specification，缩写：NVMHCIS），是一个逻辑设备接口规范。它是与AHCI类似的、基于设备逻辑接口的总线传输协议规范（相当于通讯协议中的应用层），用于访问通过PCI Express（PCIe）总线附加的非易失性存储器介质（例如采用闪存的固态硬盘驱动器），虽然理论上不一定要求 PCIe 总线协议。

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：

RR（每个队列优先级相同，轮转调度）
带权重的RR（队列有4种优先级，根据优先级调度）
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。

2. PCIe寄存器配置

NVMe over PCIe，通过利用PCIe总线实现数据交互的功能，实现对物理层的抽象功能。

2.1 PCIe总线的基本结构

PCIe总线分为三层，物理层，数据链路层，处理层（类似于计算机网络的分层结构），通过包来转发数据。NVMe协议定义的内容相当于PCIe的上一层应用层，处于应用层。PCIe给NVMe提供了底层的抽象。

NVMe SSD相当于一个PCIe的端设备（EP）。

2.2 寄存器配置

在协议中主要定义了PC header、PCI Capabilities和PCI Express Extended Capabilities三部分内容。

具体在host内存中会占有4KB，结构如下：

2.2.1 PCI header

PCI header有两种类型，type0表示设备，type1表示桥。NVMe 控制器属于EP，所以定义为type0的类型。共64KB，如下图：

2.2.2 PCI Capabilities

这里配置了PCI Capbilities，包括电源管理、中断管理（MSI、MSI-X）、PCIe Capbilities。

2.2.3 PCI Express Extended Capabilities

这里配置有关错误恢复等高级功能。

3. NVMe寄存器配置

3.1 寄存器定义

NVMe寄存器主要分为两部分，一部分定义了Controller整体属性，一部分用来存放每组队列的头尾DB寄存器。

CAP——控制器能力，定义了内存页大小的最大最小值、支持的I/O指令集、DB寄存器步长、等待时间界限、仲裁机制、队列是否物理上连续、队列大小；
VS——版本号，定义了控制器实现NVMe协议的版本号；
INTMS——中断掩码，每个bit对应一个中断向量，使用MSI-X中断时，此寄存器无效；
INTMC——中断有效，每个bit对应一个中断向量，使用MSI-X中断时，此寄存器无效；
CC——控制器配置，定义了I/O SQ和CQ队列元素大小、关机状态提醒、仲裁机制、内存页大小、支持的I/O指令集、使能；
CSTS——控制器状态，包括关机状态、控制器致命错误、就绪状态；
AQA——Admin 队列属性，包括SQ大小和CQ大小；
ASQ——Admin SQ基地址；
ACQ——Admin CQ基地址；
1000h之后的寄存器定义了队列的头、尾DB寄存器。

3.2 寄存器理解

CAP寄存器标识的是Controller具有多少能力，而CC寄存器则是指当前Controller选择了哪些能力，可以理解为CC是CAP的一个子集；如果重启（reset）的话，可以更换CC配置；
CC.EN置一，表示Controller已经可以开始处理NVM命令，从1到0表示Controller重启；
CC.EN与CSTS.RDY关系密切，CSTS.RDY总是在CC.EN之后由Controller改变，其他不符合执行顺序的操作都将产生未定义的行为；
Admin队列有host直接创建，AQA、ASQ、ACQ三个寄存器标识了Admin队列，而其他I/O队列则有Admin命令创建（eg，创建I/O CQ命令）；
Admin队列的头、尾DB寄存器标识为0，其他I/O队列标识由host按照一定规则分配；只有16bit的有效位，是因为队列深度最大64K。

4. 内存数据结构

4.1 SQ与CQ的详细定义

4.1.1 空队列

4.1.2 满队列

判断队列满可以有多种方法，协议中规定的是头指针比尾指针大一，所以队列满时，空余一个元素。

4.1.3 队列性质

1. 队列大小有16bit，最小队列大小为2个元素（因为满队列的定义方式，所以最小为2个元素），对于I/O队列，最大队列大小为64k；对于Admin队列，最大队列为4k；

2. QID来标识唯一ID，16bit，由host分配；

3. host可以修改队列优先级（如果支持的话），共四级，U、H、M、L；

4.2 仲裁机制

4.2.1 RR

RR仲裁，Admin SQ与I/O SQ优先级相同，控制器每次可以选择一个队列中的多个命令（Arbitration Burst setting）。

4.2.2 带有优先权的RR

有3个严格的优先权，Priority1 > Priority2 > Priority3，在这三个优先级队列中，高优先级的队列中如果有命令，则优先执行（非抢占式）。

4.2.3 其他仲裁方式

Vendor Specific。

4.3 数据寻址方式（PRP和SGL）

4.3.1 PRP

NVMe把Host的内存分为页的集合，页的大小在CC寄存器中配置，PRP是一个64位的内存物理地址指针，结构如下：

最后两位为0，指四字节对齐；（n：2）位表示页内内偏移。

举个例子，内存页大小位4KB，则（11：2）表示页内偏移。

PRP寻址有两种方式，直接用PRP指针寻址，通过PRP List寻址。当使用PRP List寻址时，偏移必须为0h，每一个PRP条目表示一个内存页，如下：

Admin命令的数据地址只能采取PRP的方式，I/O命令的数据地址既可以采取PRP的方式，又可以采取SGL的方式。Host在命令中会告诉Controller采用何种方式。具体来说，如果命令当中DW0[15：14]是0，就是PRP的方式，否则就是SGL的方式。

命令的Dword6~Dword9只定义了PRP1、PRP2两个数据指针，通过PRP条目可以指向PRP List。如下图：

在上面的例子中，PRP1直接指向内存页，PRP2指向PRP List存在的地址，在PRP List中存有数据的真正的地址。

更详细的说：

协议中PRP Entry是一个指向物理内存页的指针。PRP被用作NVMe Controller和PC内存之间进行数据传输。PRPEntry是固定大小的（8B）。

首先，明确两个概念，PRP Entry 为PRP指针，PRP List为PRP列表指针，示意图如下：

根据每次传输数据的大小，以及PRP指针的偏移（offset）可以分为以下五种情况：

4.3.2 SGL

SGL是另外一种索引内存的数据结构。SGL由若干个SGL段组成，SGL段又由若干个SGL描述符组成，所以SGL描述符是SGL数据结构的基本单位。

目前定义的SGL描述符有6种：

SGL 数据描述符，用来索引数据块地址，host内存；
SGL 垃圾数据描述符，用来索引无用数据；
SGL 段描述符，用来索引下一个SGL段；
SGL 最后一个段描述符，用来索引最后一个SGL段；
keyed SGL 数据描述符；
Transport SGL 数据描述符；

在上面SGL例子中，共有3个SGL段，用到了4种SGL描述符。Host需要往SSD中读取13KB的数据，其中真正只需要11KB数据，这11KB的数据需要放到3个大小不同的内存中，分别是：3KB，4KB和4KB。

4.3.3 比较PRP与SGL

无论是PRP还是SGL，本质都是描述内存中的一段数据空间，这段数据空间在物理上可能连续的，也可能是不连续的。Host在命令中设置好PRP或者SGL，告诉Controller数据源在内存的什么位置，或者从闪存上读取的数据应该放到内存的什么位置。

SGL和PRP本质的区别在于，一段数据空间，对PRP来说，它只能映射到一个个物理页，而对SGL来说，它可以映射到任意大小的连续物理空间，具有更大的灵活性，也能够描述更大的数据空间。如下图：

5. NVMe协议定义的命令

5.0 命令执行过程

命令由host提交到内存中的SQ队列中，更新TDBxSQ后，NVMe控制器通过DMA的方式将SQ中的命令（怎么取，如何取，取多少，因设计而异）取到控制器缓冲区，执行命令；执行完成后，根据执行状态，组装完成命令，仍然通过DMA的方式将完成命令写入内存CQ的队列中；NVMe控制器通过MSI-X中断方式通知host已完成命令；最后，host处理CQ命令，更新控制器中HDBxCQ，标识着命令真正完成。

5.1 命令分类

命令分为Admin指令与NVM指令（I/O指令）。

Admin指令只能提交到Admin Controller中，主要负责管理NVMe控制器，也包含对NVM的一些控制指令。

NVM 指令只能提交到I/O Controller中，主要负责完成数据的传输。

在1.0e版本中，Admin指令有15条（3条与NVM相关），NVM指令有6条；在1.3d版本中，Admin指令有15条（3条与NVM相关），NVM指令有11条。

5.2 命令通用格式

命令均为64字节，具有相同的格式，某些字段根据命令的不同有不同的定义。

Dword0	CID、传输方式、聚合操作、操作码
1	NID（命名空间ID）
2	保留
3	保留
4、5	元数据指针(MPTR)
6-9	数据指针（DPTR）
10-15	根据命令指定

完成命令同样具有相同的格式，某些字段根据命令的不同有不同的定义。

Dword0	根据命令指定
1	保留
2	SQID、SQ头指针
3	状态域、P位、CID

5.3 Admin 指令

Admin指令与NVM指令根据放置的的队列组（Queue Pair）来区分，Admin指令在Admin CQ与SQ里，NVM指令在I/O CQ与SQ里。

通过Dword0中的8位操作码定义不同指令，注意并不是绝对的顺序增加（eg，没有03h）。每一种指令都对应有其完成命令，通过SQID（提交队列ID）+CID（命令ID）唯一标识完成的命令。

操作码	指令	作用
00h	删除I/O SQ，	释放SQ空间
01h	创建 I/O SQ，	保存host分配给SQ的地址、队列优先权、队列大小
02h	获取日志，	返回所选日志页于缓冲区
04h	删除 I/O CQ，	释放CQ空间
05h	创建 I/O CQ，	保存host分配给CQ的地址、中断向量、队列大小等
06h	Identify	返回关于controller与namespace能力和状态的数据结构（2k字节）
08h	撤销，	用来撤销之前完成的指令，best-effort
09h	设置features	根据FID设置相应的features
0Ah	获取 features，	根据FID返回队列数量、仲裁信息等
0Ch	异步事件请求，	Controller向host报告运行信息（error or health）
10h	固件激活，	验证下载的镜像，提交到Firmware Slot（1-7）中
11h	固件镜像下载，	下载固件镜像

Note：

Admin队列是通过配置ASQ等寄存器创建的
先创建CQ再创建SQ

5.4 NVM指令

NVMe控制器读写的最小单元是LB，层次图如下：

NVM指令与Admin指令结构完全相同，也是通过Dword0中的8位操作码来定义不同指令。

操作码	指令	作用
00h	Flush	将数据（和元数据）提交到NVM中，所有命令都要执行
01h	Write	将数据（和元数据）写入NVM中
02h	Read	读NVM中的数据（和元数据）
04h	Wirte Uncorrectable	标记无效数据块
05h	Compare	比较从NVM端读出的数据和比较数据缓冲区的数据
09h	Dataset Management	标识一定范围数据的特点，eg，频繁读、频繁写（提升性能）

6 控制器结构

控制器从功能上可以分为三类，I/O、Admin和Discovery。

在实现过程中，Admin 控制器只有一个，负责管理控制器及其他控制功能。控制器只是抽象的概念，应用于具体的实现中，可能是一个具体的模块，也可能多个模块。

控制器主要的作用是实现对NVMe定义命令的翻译，从而实现数据传输、状态控制等功能。

6.1 命令执行过程

1. host将命令（1条或者多条）写入提前分配好的SQ中；

2. 更新对应SQ的DB寄存器；

3. NVMe控制器取SQ中命令（通过HDB和TDB可以判断是否有未完成命令）；

4. NVMe控制器执行命令；

5. NVMe 控制器在命令完成后，将完成命令（可能执行成功，也可能失败，但都会返回完成命令）写入host内存SQ对应的CQ中；

6. NVMe 控制器根据实现的中断方式，提醒host命令已完成；

7. host响应中断，处理完成命令；

8. host 更新对应CQ的DB寄存器。

6.2 重启（Reset）

6.2.1 Controller level

Controller重启可能发生在PCIe总线重启、PCI重启、控制器CC.EN从1到0重启。当重启发生时：

所有的I/O SQ和CQ都被删除；
所有未完成的指令（Admin和I/O）应该执行撤销操作；
Controller处于idele状态，CSTS.RDY清0；
AQA、ASQ、ACQ不受影响。

重启后，host操作：

更新寄存器状态；
将CC.EN置1；
等待CSTS.RDY置1；
使用Admin命令配置Controller；
创建I/O CQ和SQ；
执行正常的I/O指令。

6.2.2 Queue level

队列水平的重启，即，删除该队列，再重新创建一个新队列。删除队列的时候，host应该保证队列处于idle状态（所有命令均已完成——接收到了完成命令），否则的话，可能会导致CQ接收不到提交命令的完成命令。

6.3 中断

在Controller完成SQ命令后，根据执行状态，将结果组装成完成命令写入CQ中，Controller通过中断机制通知Host处理完成命令。

NVMe协议中支持的中断方式有4种，pin-based、Single MSI、Multi-message MSI和MSI-X，协议推荐采用MSI-X中断方式，能够支持更多的中断向量（2K）。

MSI-X允许每一个CQ发送自己的中断信息（相比于发一条中断信息提醒全部CQ队列有很大的优势）。在产生MSI-X中断信息前，需要检查该中断在相应寄存器种不被屏蔽。

6.4 Controller初始化

Controller的初始化过程：

设置PCI和PCIe寄存器；
等待CSTS.RDY变为；
配置AQA、ASQ、ACQ寄存器；
配置CC寄存器；
将CC.EN置1；
等待CSTS.RDY置1
Host通过Identify命令，确定Controller的数据结构、确定Namespace的数据结构；
Host通过get features（协议中是set features，待研究）获取I/O SQ和CQ信息，然后配置中断机制；
Host分配适当的I/O CQ、SQ队列；
如果Host希望获取Controller的错误或健康信息，可以添加异步事件请求命令。

Controller 关机

正常关机：

Host停止提交新的I/O命令，但允许未完成的命令继续完成；
Host删除所有I/O SQ，删除所有SQ队列后，所有未完成的命令将被撤销；
Host删除所有I/O CQ；
Host将CC.SHN置01b，表示正常关机；关机程序完成时，将CSTS.SHST置10b。

突然关机：

Host停止提交新的I/O命令；
Host将CC.SHN置10b，表示突然关机；关机程序完成时，将CSTS.SHST置10b

6.5 host端命令实例

6.5.1 创建命令

6.5.2 处理完成命令

6.6 NVMe与PCIe交互实例（分析包结构）

以Host发出read命令为例。

Host准备了一个Read命令给SSD：

分析该包，Host需要从起始LBA 0x20E0448(SLBA)上读取128个DWORD (512字节)的数据，读到哪里去呢？PRP1给出内存地址是0x14ACCB000。这个命令放在编号为3的SQ里 (SQID = 3)，CQ编号也是3 (CQID = 3)

Host通过写SQ的Tail DB，通知Controller来取命令：

上图中，上层是NVMe层，下层是PCIe传输层的TLP。Host想往SQ Tail DB中写入的值是5。PCIe是通过一个Memory Write TLP来实现Host写CQ的Tail DB的。该Tail DB寄存器映射在Host的内存地址为F7C11018，由于NVMe 的寄存器映射到了Host内存中，所以可以根据这个地址写入寄存器值。