一文讀懂NVMe的基本原理

任何新技術(shù)的出現(xiàn)都是為了解決當前情況存在的問題。NVMe的出現(xiàn)也是為了解決當前存在的問題。這個問題就是日益快速增長的存儲介質(zhì)性能與傳輸通道性能太差之間的矛盾?；赟SD的存儲設(shè)備性能都要上天了，但SAS和SATA 接口的性能卻沒有本質(zhì)的提升。

目前基于SCSI協(xié)議的SAS和SATA只能是單個隊列而且每個隊列的深度也比較低，分別是254和32的隊列深度。而NVMe協(xié)議設(shè)計之初就考慮了該問題，它的***隊列數(shù)量可以是64K(65535個命令隊列和1個管理隊列)，而每個隊列的深度可以高達64K。與SCSI協(xié)議相比，就好比一個鄉(xiāng)村的羊腸小路和一個雙向八車道的高速公路的差別。

圖1 美麗的鄉(xiāng)村下路和京港澳高速

NVMe基本原理

為了便于理解主機和NVMe設(shè)備的關(guān)系，我們這里簡化NVMe設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如圖2所示為NVMe白皮書中的配圖，這里主機稱為Host，而NVMe設(shè)備稱為Controller(控制器)。主機和控制器之間通過共享內(nèi)存的隊列實現(xiàn)交互。

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圖2 NVMe多隊列示意圖

NVMe的隊列分為2種，其中一種是用于管理的隊列，稱為Admin Queue(管理隊列)，僅有一個，另外一種是命令隊列(Command Queue)，最多可以有65535個。其中命令隊列的數(shù)量和模式都是通過管理隊列來設(shè)置的。其中每一個隊列實際上是一個隊列對，也就是包括兩個隊列，分別是提交隊列(Submission Queue)和完成隊列(Completion Queue)。提交隊列用于主機端向NVMe設(shè)備發(fā)送NVMe命令，而完成隊列則用于NVMe設(shè)備向主機反饋命令執(zhí)行情況。實際上NVMe還有另外一種模式，就是多個提交隊列共享同一個完成隊列的情況，本文暫時不做介紹。

NVMe隊列及命令的處理流程

上文我們知道NVMe是通過隊列傳遞控制命令和命令等內(nèi)容的，那么這里的隊列實體到底是什么呢?其實這里提交隊列和完成隊列就是內(nèi)存的一個區(qū)域。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)原理上這里的隊列其實是一個環(huán)形緩沖區(qū)，如圖3所示。

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圖3 環(huán)形緩沖區(qū)

NVMe通過一種門鈴機制(Doorbell)來告知控制器命令隊列是否有新數(shù)請求/命令。也就是說每個隊列都有一個門鈴指針。對于發(fā)送隊列來說，這個指針表示的是發(fā)送隊列的尾指針。主機端將數(shù)據(jù)寫入到發(fā)送隊列后，更新映射到位于設(shè)備寄存器空間中的門鈴的尾指針。此時，在控制器端就知道有新的請求/命令到來，接下來就可以進行對其進行處理。

當控制器完成一個NVMe請求時，通過完成隊列來把完成的結(jié)果告知主機端。與發(fā)送隊列不同，完成隊列是通過中斷機制(可以是INTx，MSI或MSIx)告訴主機端。如圖4是一個命令的完整處理流程。

一文讀懂NVMe的基本原理

圖4 命令處理完整流程

NVMe的命令格式

前面我們介紹了命令的發(fā)送和處理流程，接下來我們看看NVMe的命令長什么樣。如圖5是NMVe命令的具體格式，如果大家了解TCP/IP協(xié)議或者SCSI協(xié)議，那么理解本圖將相當容易。在圖4中每一行為8個字節(jié)，命令大小總共為64字節(jié)。

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圖5 NVMe的命令格式

在這個命令格式中有幾個字段本身是比較復(fù)雜的，限于篇幅，且不打算讓大家看完本文后頭疼，本文不打算介紹所有細節(jié)。本文簡單的介紹一下該命令格式的幾個關(guān)鍵字段。其中Command Identifier標識一個具體的命令。Namespace Identifier則表示命令發(fā)送到那個命名空間。Data Pointer 1 和Data Pointer 2則用于標識數(shù)據(jù)的具體位置。

這里有兩點需要說明：

NVMe的一個控制器下面可以有多個命名空間(Namespace)，通過Namespace ID來標識的。

命令與數(shù)據(jù)是分離的，并不像TCP那樣數(shù)據(jù)在命令后面。

我們這里重點介紹一下Command Identifier，該字段占用4個字節(jié)的空間。雖然僅有4個字節(jié)，但有分為3大部分，6小部分，具體如圖6所示。