蛋蛋读NVMe之一 (ssdfans.com)

NVMe 所处层次

NVMe是一种Host与SSD之间通讯的协议，它在协议栈中隶属高层。NVMe在协议栈中处于应用层或者命令层。

NVMe是为SSD所生的。NVMe出现之前，SSD绝大多数走的是AHCI和SATA的协议，后者其实是为传统HDD服务的。与HDD相比，SSD具有更低的延时和更高的性能，AHCI已经不能跟上SSD性能发展的步伐了，已经成为制约SSD性能的瓶颈。既然SATA接口速度太慢，我用PCIe好了，不过上层协议还是AHCI。AHCI只有一个命令队列，最多同时只能发32条命令。SSD需要PCIe，更需要NVMe。

NVMe 传输模型分类

主机和NVM子系统之间有两个定义的通信结构：

• 一个是基于内存的传输模型
• 一个是基于消息的传输模型。基于消息的传输模型有两种子类型：
  • 仅消息传输模型
  • 消息/内存传输模型

不同模型在命令、响应、数据传输方式的不同：

• 在基于内存的传输模型中，命令、响应和数据通过显式的内存读写操作在主机和NVM子系统之间输。
• 基于消息的传输模型是指在主机和NVM子系统之间发送包含命令胶囊和响应胶囊的消息。
  • 在纯消息传输模型中，数据仅使用胶囊或消息在主机和NVM子系统之间发送。
  • 基于消息/内存的传输模型使用消息和显式内存读写操作的组合来在主机和NVM子系统之间传输命令胶囊、响应胶囊和数据。数据可以选择性地包含在命令胶囊和响应胶囊中

NVMe 命令

NVMe制定了Host与SSD之间通讯的命令，以及命令如何执行的。

NVMe有两种命令

• 一种叫Admin Command，用以Host管理和控制SSD；

• 另外一种就是

  I/O Command

  ，用以Host和SSD之间数据的传输。

  • namespace 命名空间是主机可以访问的一组格式化的非易失性内存。与每个命名空间相关联的是在该命名空间上操作的I/O命令集。一个NVM Express控制器可以支持使用命名空间ID引用多个命名空间。

在NVMe 2.0规范中命令集分为了三种：

• Fabrics Command：fabric命令集命令用于特定于NVMe over fabric的操作，包括建立连接、NVMe带内认证、获取或设置属性。

NVMe 命令的发送

Host又是怎么把这些命令发送给SSD执行呢？

NVMe协议中的三种队列：Submission Queue （SQ），Completion Queue（CQ）和Doorbell Register （DB）

SQ和CQ位于Host的内存中，DB则位于SSD的控制器内部。

SSD作为一个PCIe Endpoint通过PCIe连着Root Complex （RC）, 然后RC连接着CPU和内存

NVMe 命令的处理

说，NVMe处理命令需要几步？答：八步：

第一步：Host写命令到SQ；

第二步：Host写DB，通知SSD取指；

第三步：SSD收到通知，于是从SQ中取指；

第四步：SSD执行指令；

第五步：指令执行完成，SSD往CQ中写指令执行结果；

第六步：然后SSD发短信通知Host指令完成；

第七步：收到短信，Host处理CQ，查看指令完成状态；

第八步：Host处理完CQ中的指令执行结果，通过DB回复SSD：指令执行结果已处理，