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Xilinx FPGA NVMe控制器,NVMe Host Controller IP

axpro ? 來源:axpro ? 作者:axpro ? 2024-02-18 11:27 ? 次閱讀

NVMe Host Controller IP

介紹

NVMe Host Controller IP可以連接高速存儲PCIe SSD,無需CPU和外部存儲器,自動加速處理所有的NVMe協議命令,具備獨立的數據寫入AXI4-Stream/FIFO接口和數據讀取AXI4-Stream/FIFO接口,非常適合于超高容量和超高性能的應用。此外,NVMe Host Controller IP支持RAID存儲,從而可實現更高存儲性能和存儲容量。

無需CPU,NVMe Host Controller IP自動執行對PCIe SSD的PCIe設備枚舉和配置、NVMe控制器識別和初始化、NVMe隊列設置和初始化,實現必須以及可選的NVMe Admin Command Set和NVM Command Set,實現對PCIe SSD的復位/斷電管理、IO(Page)讀寫、DMA讀寫和數據擦除功能,提供用戶一個簡單高效的接口實現高性能存儲解決方案。

NVMe Host Controller IP DMA讀寫的順序傳輸長度可以配置,最小是4K-Byte,最大是512K-Byte。順序傳輸長度配置為4K-Byte,NVMe Host Controller IP所消耗的BRAM最少,但是可以達到CrystalDiskMark測試軟件RND4K Q32T16測試模式下的讀寫性能。順序傳輸長度配置為128K-Byte,NVMe Host Controller IP所消耗的BRAM比較多,可以達到CrystalDiskMark測試軟件SEQ128K Q32T1測試模式下的讀寫性能。

針對多路數據通道訪問PCIe SSD,使用NVMe的多隊列特性,NVMe Host Controller IP支持靈活配置DMA讀寫的通道個數,按照NVMe隊列優先級仲裁機制,實現多個DMA通道對同一塊PCIe SSD的高效訪問,從而達到多路數據通道訪問的并行需求和QoS要求。

特性

支持Ultrascale+,Ultrascale,7 Series FPGA

支持PCIe Gen4,PCIe Gen3,PCIe Gen2 SSD

無需CPU和外部存儲器

自動實現對PCIe SSD的PCIe設備枚舉、NVMe控制器識別和NVMe隊列設置

支持對PCIe SSD的NVM Subsystem Reset、Controller Reset和Shutdown

支持NVMe Admin Command Set:Identify、SMART、Create/Delete IO Submission/Completion Queue、Set Feature

支持NVMe NVM Command Set:Write、Read、Flush、Dataset Management

提供1個Admin命令接口,實現對PCIe SSD的復位/斷電管理功能

提供1個IO命令接口,實現對PCIe SSD的IO(Page)讀寫、Cache Flush和邏輯數據塊擦除功能;提供1個IO-AXI4-MM接口讀寫IO(page)數據

提供1個DMA命令接口,實現對PCIe SSD的DMA讀寫功能;提供1個DMA-AXI4-Stream-In/Out或DMA-FIFO-In/Out接口實現DMA數據的輸入和輸出

DMA讀寫的順序傳輸長度可以配置,4K-Byte~512K-Byte;不同的順序傳輸長度對應不同的DMA讀寫性能,同時也消耗不一樣的BRAM資源

針對多通道DMA需求,可以配置4個DMA命令接口和4個DMA-AXI4-Stream-In/Out或DMA-FIFO-In/Out接口

NVMe隊列的個數(配置DMA通道的個數)和深度可配置,平衡對PCIe SSD的DMA性能和消耗的邏輯資源

支持NVMe Admin和IO命令的超時和錯誤處理恢復機制,提供詳盡的訪問錯誤狀態輸出

支持的NVMe設備:

Base Class Code:01h(mass storage),Sub Class Code:08h(Non-volatile),Programming Interface:02h(NVMHCI)

MPSMIN(Memory Page Size Minimum):0(4K-byte)

MDTS(Maximum Data Transfer Size):大于等于順序傳輸長度或0(無限制)

LBA Unit:512-byte,1024-byte,2048-byte或4096-byte

一個NVMe Host Controller IP直接連接到PCIe SSD

易于集成的同步、可綜合Verilog設計

通過完全驗證的NVMe Host Controller IP

概述

NVMe Host Controller IP作為一個對PCIe SSD的高性能存儲控制器,不但提供對PCIe SSD的配置管理功能,而且提供對PCIe SSD的IO(Page)讀寫以及DMA讀寫功能。

NVMe Host Controller IP具備PCIe SSD Manegement,實現對PCIe SSD的復位/斷電管理功能。

NVMe Host Controller IP具備ASQ/ACQ引擎,實現NVMe Admin Command Set:Identify、SMART、Create/Delete IO Submission/Completion Queue、Set Feature。

NVMe Host Controller IP具備IO(Page) Wr/Rd引擎和SQ1/CQ1引擎,實現對PCIe SSD的IO(Page)讀寫、Cache Flush和邏輯數據塊擦除功能。

NVMe Host Controller IP具備DMA Wr/Rd引擎和SQn/CQn引擎,實現對PCIe SSD的DMA讀寫功能。

上電后,NVMe Host Controller IP內置的PCIe Device Enumerate & Configuration自動實現對PCIe SSD的PCIe設備枚舉和配置;然后內置的NVMe Controller Identify & Initialization自動實現對PCIe SSD的NVMe控制器識別和初始化;最后內置的Queue Setup & Initialization自動實現對PCIe SSD的NVMe隊列設置和初始化。上電后至此,NVMe Host Controller IP完成對PCIe SSD的所有配置和初始化工作,可以開始提供對PCIe SSD的讀寫、擦除、復位操作。

wKgaomWY6TSAQxCQAAK-9HMXcTI586.png

圖 2 NVMe Host Controller IP結構框圖

產品規格

性能

PCIe配置參數:Max Payload Size=256-byte,Max Read Request Size=512-byte

PCIe Gen3 SSD,Seq=128KB,1個DMA通道:

DMA寫入速度可達3300MB/s

DMA讀取速度可達3500MB/s

PCIe Gen2 SSD,Seq=128KB,1個DMA通道:

DMA寫入速度可達1700MB/s

DMA讀取速度可達1800MB/s

資源

KU040

表3.1 PCIe Gen3 SSD,Seq=128K,Queue Depth=4,1-DMA

LUTs FFs BRAMs PCIe
總資源 17251 25429 87 1
NVMe Host Controller 12780 17477 70 0
PCIe Bridge 5473 7952 17 1

表3.2 PCIe Gen3 SSD,Seq=4K,Queue Depth=8,1-DMA

LUTs FFs BRAMs PCIe
總資源 16600 22812 31 1
NVMe Host Controller 11144 14864 14 0
PCIe Bridge 5461 7948 17 1

表3.3 PCIe Gen3 SSD,Seq=4K,Queue Depth=8,2-DMA

LUTs FFs BRAMs PCIe
總資源 21068 28135 43 1
NVMe Host Controller 15596 20163 26 0
PCIe Bridge 5475 7962 17 1

ZU7EV

表3.4 PCIe Gen3 SSD,Seq=128K,Queue Depth=4,1-DMA

LUTs FFs BRAMs URAM PCIe
總資源 23925 34570 40 8 1
NVMe Host Controller 12621 17486 6 8 0
PCIe Bridge 11311 17085 34 0 1

表3.5 PCIe Gen3 SSD,Seq=4K,Queue Depth=16,1-DMA

LUTs FFs BRAMs URAM PCIe
總資源 23128 33037 40 2 1
NVMe Host Controller 11811 15956 6 2 0
PCIe Bridge 11319 17081 34 0 1

表3.6 PCIe Gen3 SSD,Seq=4K,Queue Depth=16,2-DMA

LUTs FFs BRAMs URAM PCIe
總資源 28201 39453 44 4 1
NVMe Host Controller 16893 22365 10 4 0
PCIe Bridge 11308 17088 34 0 1

審核編輯 黃宇

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