NVMe AXI4 Host Controller IP

1      介绍

NVMe AXI4 Host Controller IP可以连接高速存储PCIe SSD，无需cpu，自动加速处理所有的NVMe协议命令，具备独立的数据写入和读取AXI4接口，不但适用高性能、顺序访问的应用，也适用于随机访问的应用，同时结合外部存储器（比如DDR），使得Host端的数据访问管理更加灵活。

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/Device Self-test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 AXI4 Host Controller IP读写的顺序传输长度是RTL运行时动态可配置的，最小是4K-Byte，最大是512K-Byte。每次读写访问，用户可以指定本次传输的顺序传输长度（4K~512K Byte），不同的顺序传输长度对应不同的DMA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 AXI4 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

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、Device Self-test、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/Device Self-test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

n  提供1个DMA-AXI4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动态配置，4K-Byte~512K-Byte；不同的顺序传输长度对应不同的DMA读写性能

Ø  针对多通道DMA需求，可以配置4个DMA命令接口，1个DMA-AXI4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），Programming Interface：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 AXI4 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 AXI4 Host Controller IP

2      概述

NVMe AXI4 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 AXI4 Host Controller IP具备PCIe SSD Management，实现对PCIe SSD的复位/断电/SMART/Error Information/Device Self-test管理功能。

NVMe AXI4 Host Controller IP具备ASQ/ACQ引擎，实现NVMe Admin Command Set：Identify、SMART、Error Information、Device Self-test、Create/Delete IO Submission/Completion Queue、Set Features – Volatile Write Cache/Arbitration。

NVMe AXI4 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 AXI4 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 AXI4 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。至此，NVMe AXI4 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、Device Self-test操作。

图 2 NVMe AXI4 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990 Pro 4TB），Seq=512KB，1个DMA通道：

a)       DMA写入速度3380MB/s

b)       DMA读取速度3550MB/s

2.     PCIe Gen3 SSD（三星970EVO Plus 1TB），Seq=512KB，1个DMA通道：

a)       DMA写入速度3320MB/s

b)       DMA读取速度3480MB/s

3.     PCIe Gen3 SSD（Intel D5-P5530 3.84TB），Seq=512KB，1个DMA通道：

a)       DMA写入速度3350MB/s

b)       DMA读取速度3440MB/s

4.     PCIe Gen3 SSD（三星980 Pro 1TB），Seq=512KB，1个DMA通道：

a)       DMA写入速度2950MB/s

b)       DMA读取速度3430MB/s

3.2            资源

1.    KU040

表3.1 PCIe Gen3 SSD，Seq=512K，Queue Depth=8，1-DMA

表3.2 PCIe Gen3 SSD，Seq=512K，Queue Depth=8，2-DMA

表3.3 PCIe Gen3 SSD，Seq=512K，Queue Depth=8，4-DMA

2.    ZU7EV

表3.4 PCIe Gen3 SSD，Seq=512K，Queue Depth=8，1-DMA

表3.5 PCIe Gen3 SSD，Seq=512K，Queue Depth=8，2-DMA

表3.6 PCIe Gen3 SSD，Seq=512K，Queue Depth=8，4-DMA