Xilinx FPGA高性能NVMe主机控制器,纯RTL-A4S版本

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NVMe A4S Host Controller IP

1     介绍

NVMe A4S 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，适合于高性能、顺序访问的应用，比如视频记录、信号记录。

无需CPU，NVMe A4S 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 A4S Host Controller IP DMA读写的顺序传输长度是在生成RTL时配置的，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、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-Stream-In/Out或DMA-FIFO-In/Out接口实现DMA数据的输入和输出

Ø  支持SGDMA

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，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 A4S 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 A4S Host Controller IP

2     概述

NVMe A4S 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 A4S 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 A4S 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 A4S 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 A4S 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 A4S 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 A4S 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 A4S 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=128KB，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=128KB，1个DMA通道：

a)      DMA写入速度3050MB/s

b)      DMA读取速度3350MB/s

3.    PCIe Gen3 SSD（Intel D5-P5530 3.84TB），Seq=128KB，1个DMA通道：

a)      DMA写入速度3280MB/s

b)      DMA读取速度2700MB/s

4.    PCIe Gen3 SSD（三星970EVO Plus 1TB），Seq=4KB，1个DMA通道：

a)      DMA写入速度2700MB/s

b)      DMA读取速度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

6. Email：neteasy163z@163.com

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NVMe A4S Host Controller User Guide