NVMe IP现状扫盲 - 指南

SSD优势

与机械硬盘（Hard Disk Driver,HDD）相比，基于Flash的SSD具有更快的数据随机访问速度、更快的传输速率和更低的功耗优势，已经被广泛应用于各种计算领域和存储系统。SSD最初遵循为HDD设计的现有主机接口协议，例如串行高级技巧附件（Serial Advanced Technology Attachment, SATA）和串行附加SCSI（SAS）协议，随着SSD的不断发展，这些接口协议已成为关键的性能瓶颈。为了解决这一问题，存储供应商制定了一种新的接口规范，即NVMe协议。

NVMe协议必要性

NVMe协议是专为PCIe接口的SSD而设计的，旨在充分利用SSD内部的并行性实现可扩展性、高吞吐量和低延迟的目标。相较于SATA协议，NVMe协议具有以下几点优势：管理更高效、功能性更强、I/O效率更高、读写延迟和功耗更低。由于NVMe SSD与HDD和SATA/SAS SSD相比具有卓越的性能优势，云平台和数据中心已经开始为大量I/O密集型应用程序提供NVMe SSD。随着NVMe协议的不断完善，推出了NVMe-oF（NVMe over Fabrics）协议。NVMe-oF协议进一步扩展了NVMe协议在网络传输中的应用，该协议定义了使用多种通用的传输层协议来进行内容的传输，包括FC、InfiniBand、RoCE V2、iWARP和TCP。随着协议的不断完善，越来越多的环境和应用采用NVMe存储接口的SSD，此种手艺将成为未来存储领域的主流。

NVMe研究进展

目前，一些国内外学者将NVMe SSD应用于嵌入式存储设备。例如Opsero公司的Jeff Johnson在Zynq上挂载NVMe SSD，借助Linux系统中的NVMe驱动程序实现了对NVMe SSD的控制，并在Zynq-7z030芯片上进行了测试，写速度为84.7 MB/s。西安电子科技大学的王琳琳基于Zynq搞定了NVMe SSD的读写控制，通过在的PS端运行Linux系统，在PL端通过PCIe硬核IP连接NVMe SSD，完成了135 MB/s的写入速度和143 MB/s的读取速度。
通过将NVMe SSD应用于嵌入式存储设备相较于SATA SSD可以有效的提高系统的传输性能，但在嵌入式操作系统中，经过NVMe驱动程序来控制NVMe SSD，其性能与嵌入式CPU的主频以及软件协议栈的执行流程密切相关。NVMe Host端的命令得经过文件系统层、块设备层、驱动层等多个层次的处理，同时NVMe协议栈中的队列设计、乱序执行、完成信息检查等流程也十分复杂，加之嵌入式处理器主频较低，使得其响应速度较慢，无法充分发挥NVMe SSD的速度优势。若想要在嵌入式框架中充分发挥NVMe协议的高速读写性能，一方面可以借助优化软件执行流程，来提高传输性能，但嵌入式处理器的性能较低，性能提升空间有限。另一方面能够通过硬件逻辑的方式来实现软件驱动程序。相较于软件的顺序执行，硬件电路许可凭借并行执行来大幅度提高系统性能，这种方式更能充分发挥出NVMe协议高度并行的特点。
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