为什么开发NVMe HC IP

目前常用的SATA控制器IP无法满足 GBps 以上高速存储性能方面的指标要求。NVMe控制器能够加速NVMe指令管理过程，大幅提高数据的读写传输速率，有效降低传输延迟。采用NVMe控制器成为目前高速存储的迫切需求。

NVMe HC IP 解决什么？

目前，NVMe控制器输入输出端口主要基于AMBA AXI4总线接口协议，使其能够与FPGA整体系统设计中的其余模块高效互连，提高开发效率并增强可移植性。
通过分析NVMe指令控制流程中数据的交互需求，NVMe控制器输入输出端口可同时使用AXI、AXI-Lite以及AXI-Stream三种总线接口，以针对不同场景合理使用三种总线，充分利用各自的特性，实现性能和资源消耗的平衡。
除上述要求之外，所开发的NVMe控制器具有以下几个主要特点：
（1）SSD的管理控制符合 NVMe 1.3d 协议规范；
（2）实现读、写、识别以及刷新等在内的多种NVMe指令；
（3）支持多队列的并行管理；
（4）支持Round-Robin仲裁机制；
（5）采用完全可综合的Verilog代码实现；

一种应用NVMe HC IP 的系统设计

为便于说明本NVMeHC IP 应用，给出如图1所示系统整体设计方案，但它不局限于zynq系列，实际上也可用于支持AXI4的K及V系列。图1主要包括Zynq处理器系统（Processing System，PS）、NVMe控制器、DMA/Bridge Subsystem for PCI Express IP核（XDMA）、用户逻辑以及AXI Interconnect等模块。其中，为了简化框图而省略模块间的AXI Interconnect总线互连模块。

Zynq处理器系统模块中包含的硬核ARM Cortex-A53应用CPU将负责执行裸机应用程序、配置NVMe控制器寄存器等工作，并且本课题所使用的DDR存储器件也包含在处理器系统中。
1）NVMeHC IP作为整体系统中的核心模块，实现寄存器组定义、指令组装、数据流转换、指令组装、多队列管理、Round-Robin仲裁管理、门铃信息控制、指令发送和完成信息接收以及错误检测等关键功能。将原本由CPU执行的软件驱动程序迁移至NVMe控制器中，从而完全通过硬件逻辑的方式实现对外接SSD进行读写等指令操作的控制流程，提升传输性能。
2）XDMA IP核实现基于PCIe总线的链路连接，并根据性能指标要求配置链路速率参数为PCIe 3.0 X4。同时，将其工作模式配置为Bridge模式，实现FPGA作为Host端，SSD作为Endpoint端的PCIe总线连接关系。除此之外，还对PCIe BAR空间与AXI BAR空间之间虚拟地址的相互转换关系进行配置，使Host端访问SSD中PCIe BAR空间的请求从AXI总线转换到PCIe总线上，或是将Endpoint端访问Host的请求从PCIe总线转换为AXI的总线请求。
3）用户逻辑模块作为本课题系统设计中的功能验证模块。用户逻辑模块将产生测试用的数据流以模拟实际输入的图像数据，并将产生的测试数据直接通过AXI-Stream接口传入NVMe控制器；或是接收从SSD端返回的读数据流，并对读数据流进行检查以验证正确性。
4）AXI Interconnect模块作为FPGA整体系统设计中不同模块间AXI总线接口的互连结构，可有效的组建AXI总线网络，这里不独立列出。AXI Interconnect可灵活应用于一主多从、多主一从及多主多从三种模式的AXI总线互连需求，并能够有效解决总线竞争或是性能面积取舍问题等。

AXI总线介绍

AXI（Advanced eXtensible Interface）是一种总线协议，该协议是ARM公司提出的AMBA3.0中最重要的部分，是一种面向高性能、高带宽、低延迟的片内总线。AMBA4.0将其修改升级为AXI4.0。 AMBA4.0 包括AXI4.0、AXI4.0-lite、ACE4.0、AXI4.0-stream。AXI4.0-lite是AXI的简化版本， AXI4.0-stream主要用在FPGA进行以数据为主导的大量数据的传输应用。

AXI读写架构

AXI协议是基于burst的传输，并且定义了以下5个独立的传输通道：读地址通道、读数据通道、写地址通道、写数据通道、写响应通道。地址通道携带控制消息，用于描述被传输的数据属性；数据传输使用写通道来实现master到slave的传输，slave使用写响应通道来完成一次写传输；读通道用来实现数据从slave到master的传输。AXI读写架构如图2、图3所示：

AXI使用基于VALID/READY的握手机制数据传输协议，传输源端使用VALID表明地址/控制信号、数据是有效的，目的端使用READY表明自己能够接受信息。
读/写地址通道：读、写传输每个都有自己的地址通道，对应的地址通道承载着对应传输的地址控制信息。
读数据通道：读数据通道承载着读数据和读响应信号包括数据总线（8/16/32/64/128/256/512/1024 bit）和指示读传输完成的读响应信号。
写数据通道：写数据通道的数据信息被认为是缓冲（buffered），master无需等待slave对上次写传输的确认即可发起一次新的写传输。写通道包括数据总线（8/16…1024 bit）和字节线（用于指示8 bit 数据信号的有效性）。
写响应通道：slave使用写响应通道对写传输进行响应。所有的写传输需要写响应通道的完成信号。

AXI握手机制

5个传输通道均使用VALID/READY信号对传输过程的地址、数据、控制信号进行握手。使用双向握手机制，传输仅仅发生在VALID、READY同时有效的时候。
VALID/READY 分为以下三种情况：
1）VALID信号等待READY信号的到达，直到T3时刻完成传输，如图4所示。

2）READY信号先于VALID信号到达时，进行等待，直到T3时刻VALID信号与READY信号同时有效，完成一次传输，如图5所示。

3） VALID信号与READY信号同时到达，则T2时刻完成一次传输，如图6所示。

NVMe 主机控制器（HC） IP 说明

NVMe 控制器接口说明

为便于用户使用，本IP接口定义简洁，如图7所示。该模块接口包括S_AXI_Lite、M_AXI_SSD、S_AXI_SSD、done和error接口。

NVMeHC 模块接口基于AMBA总线协议，可实现与FPGA内其余模块之间高效交互。用户指令从S_AXI_Lite接口传入，指令执行完成后done接口输出高电平，同时如果指令执行过程中出现错误，error接口输出高电平。
各接口定义如下：
1）S_AXI_Lite接口
S_AXI_Lite接口为AMBA总线协议规范的AXI Lite Slave接口。用户通过S_AXI_Lite接口进行读写NVMeHC内部寄存器，以实现相应读写等指令。
表1 给出 S_AXI_Lite 接口定义。

S_AXI_Lite接口时序如图8：

当AWVALID与AWREADY同时有效时，完成一次AWADDR传输；当WVALID与WREADY信号同时有效时，完成一次WDATA的传输。

2）M_AXI_SSD接口
NVMeHC IP通过M_AXI_SSD接口发送指令更新SSD端的相应门铃寄存器。此接口符合AMBA AXI Full总线协议规范。

3）S_AXI_SSD接口
NVMeHC IP通过S_AXI_SSD接口向SSD端发送相应命令、接收从SSD端返回的完成信息。此接口符合AMBA AXI Full总线协议规范。

4）done接口
NVMeHC IP检查完成所有命令的完成信息后，置done信号为高电平。

5）error接口
当NVMeHC IP检查SSD端返回的完成信息中发现错误时，置error信号为高电平。

寄存器定义及引脚约束

1）寄存器定义
NVMeHC模块内部有4个寄存器，用户通过S_AXI_Lite接口配置对应寄存器，便可控制模块对SSD相应的读写操作。用户需要配置的寄存器如表2：

2）引脚约束
时钟频率：250MHZ
复位方式：低电平有效

操作流程

1）系统上电后，进入初始化配置阶段。分为2阶段：
（1）PCIe初始化
通过XDMA standalone driver对PCIe进行初始化操作。完成BAR0空间映射，链路状态检测，直至PCIe进行L0状态，且PCIeLinkUp信号有效。
（2）NVMe寄存器配置
PCIe初始化完成后，NVMeHC模块对SSD端NVMe寄存器初始化配置，初始化配置完成后便可对NVMe SSD进行读写等操作。

2）数据传输
每发起一次数据的读写传输，用户需配置NVMeHC相应寄存器以发起传输。配置寄存器顺序为：
（1）首先需配置源/目的地址寄存器、SLBA寄存器、数据量寄存器；
（2）最后配置指令寄存器，发起读、写、识别等操作；
*（例如：需要将FPGA DDR内起始源地址为0x60000000，数据大小为64MB的数据写入SSD端SLBA为0x0的目的地址。则操作过程为首先配置源/目的地址寄存器为0x60000000、SLBA寄存器为0x0、数据量寄存器为0x20000（64MB/512B = 0x20000），最后配置指令寄存器为写操作便可发起数据传输。）
当配置完成指令寄存器后，NVMeHC模块便根据用户配置的相关信息，通过XDMA模块控制SSD进行相应读写等操作。检查完成所有的完成信息后，通过done / error返回相应信号。

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