Xilinx FPGA NVMe控制器,NVMe Host Controller IP

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描述

NVMe Host Controller IP

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。

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:

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):大于等于顺序传输长度或0(无限制)

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

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。

控制器

图 2 NVMe Host Controller IP结构框图

产品规格

性能

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

PCIe Gen3 SSD,Seq=128KB,1个DMA通道:

DMA写入速度可达3300MB/s

DMA读取速度可达3500MB/s

PCIe Gen2 SSD,Seq=128KB,1个DMA通道:

DMA写入速度可达1700MB/s

DMA读取速度可达1800MB/s

资源

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=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3.3 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

 

ZU7EV

表3.4 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3.5 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3.6 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

 

审核编辑 黄宇

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