基于FPGA实现NVME控制器

NVME

NVM Express ( NVMe ) 或 Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification( NVMHCIS ) 是一种开放式逻辑设备接口规范，用于访问通过PCI Express总线连接的计算机非易失性存储介质。NVM 的缩写代表非易失性存储器，通常是 NAND 闪存，具有多种物理外形，包括固态驱动器(SSD)、PCIe 附加卡和M.2（ mSATA的后继者 ）。

从架构上讲，NVMe 逻辑物理存储在 NVMe 控制器芯片内并由该芯片执行，该芯片与存储介质（通常是 SSD）物理位于同一位置。NVMe 的版本更改（例如 1.3 到 1.4）已合并到存储介质中，并且不会影响主板、CPU 等 PCIe 借口兼容组件。

SATA和NVME外形区别 图片来源：金士顿官网

FPGA实现NVME

NVMe协议基于PCIe协议之上实现NVMe Host与NVMe SSD之间高速数据通信。FPGA实现的简单架构如下：

FPGA实现NVME控制（图片来源见水印）

下面介绍几个NVME协议的实现的开源项目。

OpenSSD+nvme storage

介绍

OpenSSD的发展历史如下：

nvme_comp_storage项目是基于OpenSSD的存储系统，详细的架构如下：

两个项目都有异常详细的文档介绍，链接如下：

其中OpenSSD是有官方网址的，截止发文前，官网访问受限~

antmicro for nvme

该项目和上面项目类似，唯一的区别就是该项目从底层PCIe到顶层所有的代码都是自己写的（在PCIe项目中有介绍），不想借助官方IP的项目，这个项目很具有借鉴意义。

该项目介绍的非常项目，就不赘述了。

NVMe

介绍

本项目基于AMD-XILINX FPGA XDMA的NVME控制器，详细的文件架构如下：

NVMe/
├──hw/(RTLcodes)
│├──COMSTRAINTS/(Constraints:Boardconnections)
│├──IP/(IPs:ILA,XDMAIP,Boarddesign)
│├──RTL/(NVMeHardwareDriverRTLcodes)
│├──scripts/
│├──SIM/
│└──SYNTH/(NVMeHardwareDriverProjectdirectories)
├──sw/(NVMesuFileLibrary)
├──SIM/
├──README.md
├──LICENSE
└──CMakeLists.txt

具有硬件加速功能的 NVMe 控制器

介绍

NVMeCHA 是一款超低延迟和高吞吐量的 NVMe 控制器，具有高度并行、流水线和可扩展的架构，具有一个管理控制器和多个完全硬件自动化的 I/O 控制器。管理控制器采用软硬件协同设计，其中 NVMe 管理命令的复杂处理由软件管理，而 PCIe 上的数据传输由硬件处理。这种混合架构结合了软件灵活性和硬件效率，减少了 CPU 资源并提高性能。I/O控制器采用高度并行和流水线的硬件架构设计，允许并行处理许多NVMe I/O命令，而无需任何软件干预。每个I/O控制器对应一个NVMe I/O队列对。

该项目在 Xilinx KCU105 FPGA 板上进行验证，该板通过 PCIe gen3 x8 接口连接到计算机。通过SPDK-Perf基准测试工具进行评估，该NVMe控制器的最大读写带宽均可达到7.0GB/s，占理论PCIe带宽的89%。最大4KB大小的读/写吞吐量可以达到每秒170万次I/O操作（MIOPS）。4KB大小的平均读/写延迟仅为2.4μs/3.2μs。

该项目也进行论文发表： IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems，doi：10.1109/TCAD.2021.3088784。

pl-nvme

介绍

这个项目也和上面项目类似，不过性能没有上面的架构强。

该项目包含 Dune NvmeStorage 系统的源代码以及简单的NVMe测试环境，允许使用低级Xilinx FPGA进行接口验证。

包含FPGA源代码、仿真环境或 Nvme 测试 FPGA 固件以及 nvme_test 主机软件。

总结

NVME部分因为基本和FPGA PCIe息息相关，所以基本和PCIe项目同时出现，对于想从底层开始实现的，强烈建议 antmicro 项目。

最后，还是感谢各个大佬开源的项目，让我们受益匪浅。后面有什么感兴趣方面的项目，大家可以在后台留言或者加微信留言，今天就到这，我是爆肝的碎碎思，期待下期文章与你相见。

审核编辑：汤梓红