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Xilinx FPGA NVMe主机控制器IP,高性能控制器介绍

已有 298 次阅读| 2024-1-3 20:49 |个人分类:交流共享|系统分类:芯片设计| NVMe, DMA, IP, DMA, IP, fpga, DMA, IP

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CPUNVMe Host Controller IP自动执行对PCIe SSDPCIe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 SetNVM Command Set,实现对PCIe SSD的复位/断电/SMART/Error Information管理、IOPage)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-ByteNVMe 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-ByteNVMe 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+Ultrascale7 Series FPGA

Ø  支持PCIe Gen4PCIe Gen3PCIe Gen2 SSD

Ø  无需CPU和外部存储器

Ø  自动实现对PCIe SSDPCIe设备枚举、NVMe控制器识别和NVMe队列设置

Ø  支持对PCIe SSDNVM Subsystem ResetController ResetShutdown

Ø  支持NVMe Admin Command SetIdentifySMARTError InformationCreate/Delete IO Submission/Completion QueueSet Features – Volatile Write Cache/Arbitration

Ø  支持NVMe NVM Command SetWriteReadFlushDataset Management

Ø  提供1Admin命令接口,实现对PCIe SSD的复位/断电/SMART/Error Information管理功能

Ø  提供1IO命令接口,实现对PCIe SSDIOPage)读写、Cache Flush和逻辑数据块擦除功能;提供1IO-AXI4-MM接口读写IOpage)数据

Ø  提供1DMA命令接口,实现对PCIe SSDDMA读写功能;提供1DMA-AXI4-Stream-In/OutDMA-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4DMA命令接口和4DMA-AXI4-Stream-In/OutDMA-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 SSDDMA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 AdminIO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 Code01hmass storage),Sub Class Code08hNon-volatile),Programming Interface02hNVMHCI

n  MPSMINMemory Page Size Minimum):04K-byte

n  MDTSMaximum Data Transfer Size):大于等于顺序传输长度或0(无限制)

n  LBA Unit512-byte1024-byte2048-byte4096-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 SSDIOPage)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 SetIdentifySMARTError InformationCreate/Delete IO Submission/Completion QueueSet Features – Volatile Write Cache/Arbitration

NVMe Host Controller IP具备IOPage Wr/Rd引擎和SQ1/CQ1引擎,实现对PCIe SSDIOPage)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 SSDDMA读写功能。

上电后,NVMe Host Controller IP内置的PCIe Device Enumerate & Configuration自动实现对PCIe SSDPCIe设备枚举和配置;然后内置的NVMe Controller Identify & Initialization自动实现对PCIe SSDNVMe控制器识别和初始化;最后内置的Queue Setup & Initialization自动实现对PCIe SSDNVMe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、复位操作。

                                               nvme-host-controller-ip-diagram.JPG

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-byteMax Read Request Size=512-byte

1.     PCIe Gen3 SSD(三星970EVO Plus 1TB),Seq=128KB1DMA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=4KB1DMA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

3.1 PCIe Gen3 SSDSeq=128KQueue Depth=41-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

 

3.2 PCIe Gen3 SSDSeq=128KQueue Depth=42-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

 

3.3 PCIe Gen3 SSDSeq=4KQueue Depth=81-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

 

3.4 PCIe Gen3 SSDSeq=4KQueue Depth=82-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

 

3.5 PCIe Gen3 SSDSeq=4KQueue Depth=84-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

3.6 PCIe Gen3 SSDSeq=128KQueue Depth=41-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

 

3.7 PCIe Gen3 SSDSeq=128KQueue Depth=42-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

 

3.8 PCIe Gen3 SSDSeq=4KQueue Depth=161-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

 

3.9 PCIe Gen3 SSDSeq=4KQueue Depth=162-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

 

3.10 PCIe Gen3 SSDSeq=4KQueue Depth=164-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

 



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回复 axpro 2024-3-15 15:19
Email:neteasy163z@163.com

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