[原创] Xilinx FPGA NVMe主机控制器IP, 高性能版本

NVMe Host Controller IP

1. 介绍

NVMe Host Controller IP可以连接高速存储PCIe SSD，无需CPU和外部存储器，自动加速处理所有的NVMe协议命令，具备独立的数据写入AXI4-Stream/FIFO接口和数据读取AXI4-Stream/FIFO接口，非常适合于超高容量和超高性能的应用。此外，NVMe Host Controller IP支持RAID存储，从而可实现更高存储性能和存储容量。

无需CPU，NVMe Host Controller IP自动执行对PCIe SSD的PCIe设备枚举和配置、NVMe控制器识别和初始化、NVMe队列设置和初始化，实现必须以及可选的NVMe Admin Command Set和NVM Command Set，实现对PCIe SSD的复位/断电管理、IO（Page）读写、DMA读写和数据擦除功能，提供用户一个简单高效的接口实现高性能存储解决方案。

NVMe Host Controller IP DMA读写的顺序传输长度可以配置，最小是4K-Byte，最大是512K-Byte。顺序传输长度配置为4K-Byte，NVMe Host Controller IP所消耗的BRAM最少，但是可以达到CrystalDiskMark测试软件RND4K Q32T16测试模式下的读写性能。顺序传输长度配置为128K-Byte，NVMe Host Controller IP所消耗的BRAM比较多，可以达到CrystalDiskMark测试软件SEQ128K Q32T1测试模式下的读写性能。

针对多路数据通道访问PCIe SSD，使用NVMe的多队列特性，NVMe Host Controller IP支持灵活配置DMA读写的通道个数，按照NVMe队列优先级仲裁机制，实现多个DMA通道对同一块PCIe SSD的高效访问，从而达到多路数据通道访问的并行需求和QoS要求。

• 1. 特性
• 支持Ultrascale+，Ultrascale，7 Series FPGA
• 支持PCIe Gen4，PCIe Gen3，PCIe Gen2 SSD
• 无需CPU和外部存储器
• 自动实现对PCIe SSD的PCIe设备枚举、NVMe控制器识别和NVMe队列设置
• 支持对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个Admin命令接口，实现对PCIe SSD的复位/断电管理功能
• 提供1个IO命令接口，实现对PCIe SSD的IO（Page）读写、Cache Flush和逻辑数据块擦除功能；提供1个IO-AXI4-MM接口读写IO（page）数据
• 提供1个DMA命令接口，实现对PCIe SSD的DMA读写功能；提供1个DMA-AXI4-Stream-In/Out或DMA-FIFO-In/Out接口实现DMA数据的输入和输出
• DMA读写的顺序传输长度可以配置，4K-Byte~512K-Byte；不同的顺序传输长度对应不同的DMA读写性能，同时也消耗不一样的BRAM资源
• 针对多通道DMA需求，可以配置4个DMA命令接口和4个DMA-AXI4-Stream-In/Out或DMA-FIFO-In/Out接口
• NVMe队列的个数（配置DMA通道的个数）和深度可配置，平衡对PCIe SSD的DMA性能和消耗的逻辑资源
• 支持NVMe Admin和IO命令的超时和错误处理恢复机制，提供详尽的访问错误状态输出
• 支持的NVMe设备：
  14. Base Class Code：01h（mass storage），Sub Class Code：08h（Non-volatile），Programming Interface：02h（NVMHCI）
  14. MPSMIN（Memory Page Size Minimum）：0（4K-byte）
  14. MDTS（Maximum Data Transfer Size）：大于等于顺序传输长度或0（无限制）
  14. LBA Unit：512-byte，1024-byte，2048-byte或4096-byte
• 一个NVMe Host Controller IP直接连接到PCIe SSD
• 易于集成的同步、可综合Verilog设计
• 通过完全验证的NVMe Host Controller IP

2. 概述

NVMe Host Controller IP作为一个对PCIe SSD的高性能存储控制器，不但提供对PCIe SSD的配置管理功能，而且提供对PCIe SSD的IO（Page）读写以及DMA读写功能。

NVMe Host Controller IP具备PCIe SSD Manegement，实现对PCIe SSD的复位/断电管理功能。

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

NVMe Host Controller IP具备IO（Page） Wr/Rd引擎和SQ1/CQ1引擎，实现对PCIe SSD的IO（Page）读写、Cache Flush和逻辑数据块擦除功能。

NVMe Host Controller IP具备DMA Wr/Rd引擎和SQn/CQn引擎，实现对PCIe SSD的DMA读写功能。

上电后，NVMe Host Controller IP内置的PCIe Device Enumerate & Configuration自动实现对PCIe SSD的PCIe设备枚举和配置；然后内置的NVMe Controller Identify & Initialization自动实现对PCIe SSD的NVMe控制器识别和初始化；最后内置的Queue Setup & Initialization自动实现对PCIe SSD的NVMe队列设置和初始化。上电后至此，NVMe Host Controller IP完成对PCIe SSD的所有配置和初始化工作，可以开始提供对PCIe SSD的读写、擦除、复位操作。

图 2 NVMe Host Controller IP结构框图

3. 产品规格
   1. 性能

PCIe配置参数：Max Payload Size=256-byte，Max Read Request Size=512-byte

1. PCIe Gen3 SSD，Seq=128KB，1个DMA通道：
   1. DMA写入速度可达3300MB/s
   2. DMA读取速度可达3500MB/s
2. PCIe Gen2 SSD，Seq=128KB，1个DMA通道：
   1. DMA写入速度可达1700MB/s
   2. DMA读取速度可达1800MB/s

1. 2. 资源

1. KU040

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

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

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

2. ZU7EV

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

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

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

4. 交付清单

可交付资料：

1. 详细的用户手册

2. 设计文件：源代码或网表

3. 时序约束

4. 测试或Demo工程

5. 技术支持：邮件，电话，现场，培训服务

这Xilinx FPGA NVMe主机控制器是咋玩的呢

有兴趣可以联系我，我发一份user guide给你

Email：neteasy163z@163.com

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