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/SMART/Error Information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(循环仲裁或加权循环仲裁)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。
1.1 特性Ø 支持Ultrascale+,Ultrascale,7 Series FPGA Ø 支持PCIe Gen4,PCIe Gen3,PCIe Gen2 SSD
Ø 无需CPU和外部存储器
Ø 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
Ø 支持对PCIe SSD的NVM Subsystem Reset、Controller Reset和Shutdown
Ø 支持NVMe Admin Command Set:Identify、SMART、Error Information、Create/Delete IO Submission/Completion Queue、Set Features – Volatile Write Cache/Arbitration
Ø 支持NVMe NVM Command Set:Write、Read、Flush、Dataset Management
Ø 提供1个Admin命令接口,实现对PCIe SSD的复位/断电/SMART/Error Information管理功能
Ø 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
Ø 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
Ø 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
Ø 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
Ø 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
Ø 支持循环仲裁(Round Robin Arbitration)和加权循环仲裁(Weighted Round Robin Arbitration)
Ø 支持NVMe Admin和IO命令的超时和错误处理恢复机制,提供详尽以及扩展的访问错误状态输出
Ø 支持的NVMe设备:
n Base Class Code:01h(mass storage),Sub Class Code:08h(Non-volatile),ProgrammingInterface:02h(NVMHCI)
n MPSMIN(Memory Page Size Minimum):0(4K-byte)
n MDTS(Maximum Data Transfer Size):大于等于顺序传输长度或0(无限制)
n LBA Unit:512-byte,1024-byte,2048-byte或4096-byte
Ø 一个NVMe Host Controller IP直接连接到PCIe SSD
Ø 易于集成的同步、可综合Verilog设计
Ø 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 Management,实现对PCIe SSD的复位/断电/SMART/Error Information管理功能。
NVMe Host Controller IP具备ASQ/ACQ引擎,实现NVMe Admin Command Set:Identify、SMART、Error Information、Create/Delete IO Submission/Completion Queue、Set Features – Volatile Write Cache/Arbitration。
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 HostController IP内置的PCIe DeviceEnumerate & 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。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、断电、SMART操作。
图 2 NVMe Host Controller IP结构框图
3 产品规格3.1 性能PCIe配置参数:Max Payload Size=256-byte,Max Read Request Size=512-byte
1. PCIe Gen3 SSD(三星970EVO Plus 1TB),Seq=128KB,1个DMA通道:
a) DMA写入速度可达3300MB/s
b) DMA读取速度可达3500MB/s
2. PCIe Gen3 SSD(三星970EVO Plus 1TB),Seq=4KB,1个DMA通道:
a) DMA写入速度可达2700MB/s
b) DMA读取速度可达2000MB/s
3.2 资源1. KU040
表3.1 PCIe Gen3 SSD,Seq=128K,Queue Depth=4,1-DMA
| LUTs | FFs | BRAMs | PCIe |
总资源 | 17251 | 25429 | 87 | 1 |
NVMe Host Controller | 12780 | 17477 | 70 | 0 |
PCIe Bridge | 5473 | 7952 | 17 | 1 |
表3.2 PCIe Gen3 SSD,Seq=128K,Queue Depth=4,2-DMA
| LUTs | FFs | BRAMs | PCIe |
总资源 | 24626 | 33305 | 155 | 1 |
NVMe Host Controller | 19144 | 25339 | 138 | 0 |
PCIe Bridge | 5487 | 7966 | 17 | 1 |
表3.3 PCIe Gen3 SSD,Seq=4K,Queue Depth=8,1-DMA
| LUTs | FFs | BRAMs | PCIe |
总资源 | 16600 | 22812 | 31 | 1 |
NVMe Host Controller | 11144 | 14864 | 14 | 0 |
PCIe Bridge | 5461 | 7948 | 17 | 1 |
表3.4 PCIe Gen3 SSD,Seq=4K,Queue Depth=8,2-DMA
| LUTs | FFs | BRAMs | PCIe |
总资源 | 21068 | 28135 | 43 | 1 |
NVMe Host Controller | 15596 | 20163 | 26 | 0 |
PCIe Bridge | 5475 | 7962 | 17 | 1 |
表3.5 PCIe Gen3 SSD,Seq=4K,Queue Depth=8,4-DMA
| LUTs | FFs | BRAMs | PCIe |
总资源 | 38686 | 38812 | 67 | 1 |
NVMe Host Controller | 33188 | 30833 | 50 | 0 |
PCIe Bridge | 5503 | 7979 | 17 | 1 |
2. ZU7EV
表3.6 PCIe Gen3 SSD,Seq=128K,Queue Depth=4,1-DMA
| LUTs | FFs | BRAMs | URAM | PCIe |
总资源 | 23925 | 34570 | 40 | 8 | 1 |
NVMe Host Controller | 12621 | 17486 | 6 | 8 | 0 |
PCIe Bridge | 11311 | 17085 | 34 | 0 | 1 |
表3.7 PCIe Gen3 SSD,Seq=128K,Queue Depth=4,2-DMA
| LUTs | FFs | BRAMs | URAM | PCIe |
总资源 | 29958 | 42446 | 44 | 16 | 1 |
NVMe Host Controller | 18640 | 25352 | 10 | 16 | 0 |
PCIe Bridge | 11320 | 17094 | 34 | 0 | 1 |
表3.8 PCIe Gen3 SSD,Seq=4K,Queue Depth=16,1-DMA
| LUTs | FFs | BRAMs | URAM | PCIe |
总资源 | 23128 | 33037 | 40 | 2 | 1 |
NVMe Host Controller | 11811 | 15956 | 6 | 2 | 0 |
PCIe Bridge | 11319 | 17081 | 34 | 0 | 1 |
表3.9 PCIe Gen3 SSD,Seq=4K,Queue Depth=16,2-DMA
| LUTs | FFs | BRAMs | URAM | PCIe |
总资源 | 28201 | 39453 | 44 | 4 | 1 |
NVMe Host Controller | 16893 | 22365 | 10 | 4 | 0 |
PCIe Bridge | 11308 | 17088 | 34 | 0 | 1 |
表3.10 PCIe Gen3 SSD,Seq=4K,Queue Depth=16,4-DMA
| LUTs | FFs | BRAMs | URAM | PCIe |
总资源 | 46962 | 52253 | 52 | 8 | 1 |
NVMe Host Controller | 35645 | 35160 | 18 | 4 | 0 |
PCIe Bridge | 11319 | 17093 | 34 | 0 | 1 |
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