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(dāng)前情況存在的問題。NVMe的出現(xiàn)也是為了解決當(dāng)前存在的問題。這個(gè)問題就是日益快速增長的存儲(chǔ)介質(zhì)性能與傳輸通道性能太差之間的矛盾。基于SSD的存儲(chǔ)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(gè)隊(duì)列而且每個(gè)隊(duì)列的深度也比較低，分別是254和32的隊(duì)列深度。而NVMe協(xié)議設(shè)計(jì)之初就考慮了該問題，它的***隊(duì)列數(shù)量可以是64K(65535個(gè)命令隊(duì)列和1個(gè)管理隊(duì)列)，而每個(gè)隊(duì)列的深度可以高達(dá)64K。與SCSI協(xié)議相比，就好比一個(gè)鄉(xiāng)村的羊腸小路和一個(gè)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(jī)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(jī)稱為Host，而NVMe設(shè)備稱為Controller(控制器)。主機(jī)和控制器之間通過共享內(nèi)存的隊(duì)列實(shí)現(xiàn)交互。

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圖2 NVMe多隊(duì)列示意圖

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

NVMe隊(duì)列及命令的處理流程

上文我們知道NVMe是通過隊(duì)列傳遞控制命令和命令等內(nèi)容的，那么這里的隊(duì)列實(shí)體到底是什么呢?其實(shí)這里提交隊(duì)列和完成隊(duì)列就是內(nèi)存的一個(gè)區(qū)域。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)原理上這里的隊(duì)列其實(shí)是一個(gè)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(jī)制(Doorbell)來告知控制器命令隊(duì)列是否有新數(shù)請求/命令。也就是說每個(gè)隊(duì)列都有一個(gè)門鈴指針。對于發(fā)送隊(duì)列來說，這個(gè)指針表示的是發(fā)送隊(duì)列的尾指針。主機(jī)端將數(shù)據(jù)寫入到發(fā)送隊(duì)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(shí)，在控制器端就知道有新的請求/命令到來，接下來就可以進(jìn)行對其進(jìn)行處理。

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

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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(dāng)容易。在圖4中每一行為8個(gè)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(gè)命令格式中有幾個(gè)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(xì)節(jié)。本文簡單的介紹一下該命令格式的幾個(gè)關(guān)鍵字段。其中Command Identifier標(biāo)識(shí)一個(gè)具體的命令。Namespace Identifier則表示命令發(fā)送到那個(gè)命名空間。Data Pointer 1 和Data Pointer 2則用于標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)的具體位置。

這里有兩點(diǎn)需要說明：

NVMe的一個(gè)控制器下面可以有多個(gè)命名空間(Namespace)，通過Namespace ID來標(biāo)識(shí)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(diǎn)介紹一下Command Identifier，該字段占用4個(gè)字節(jié)的空間。雖然僅有4個(gè)字節(jié)，但有分為3大部分，6小部分，具體如圖6所示。