记录此刻:历时两月,初步实现基于FPGA的NVMe SSD固态硬盘存储控制器设计!

背景

为满足实验室横向项目需求,在2024年12月中下旬导师提出基于FPGA的NVMe SSD控制器研发项目。项目核心目标为:通过PCIe 3.0 x4接口实现单盘3000MB/s的持续读取速率。

实现过程

调研

花了半个月的时间查阅了一些使用FPGA实现NVME SSD控制器的论文、博客,确认了实现思路和路线,主要明确以下几点:

1、架构角色转换:区别于传统FPGA作为Endpoint设备(如数据采集卡),本项目需将FPGA配置为Root Complex(RC),主动管理作为Endpoint(EP)的NVMe SSD设备

2、协议栈解析:建立NVMe协议与PCIe协议的层级关系认知,确认需基于Xilinx AXI PCIe IP核构建Root Port架构

3、PCIe配置空间:重点研究BAR寄存器组的地址映射机制,在实现过程中,FPGA需要对SSD的PCIE 配置空间进行配置。

4、学习NVMe协议队列机制实现:参考《蛋蛋读NVMe》技术博客,构建基于门铃寄存器的SQ/CQ队列管理系统。NVMe寄存器组:深入学习CAP(控制器能力)、CC(控制器配置)、CSTS(控制器状态)等核心寄存器

硬件选择

自己想了两个方案,第一种是通过PCIE金手指转M.2接口。类似于下图这种(该图来源于一篇硕士论文)

我当时买的那个转接板不知道哪里有问题,PCIE链路建立不起来。

第二种方案是使用FMC转M.2接口,此方案可以正常建立起PCIE链路连接。

FPGA逻辑设计

由于课题组并没有相关的设计参考,所以不得不从零开始,在AXI PCIE IP官方给的example design的基础上进行"魔改"。

1、学习AXI PCIE IP使用,知道IP核的接口是干嘛用的,主要是以下接口:S_AXI、S_AXI_CTRL、M_AXI。

2、学习IP核的配置,AXI BAR选项卡比较重要,涉及到AXI地址到PCIE地址的转换。

3、配置SSD PCIE 配置空间的相关寄存器,比如BAR0、BAR1寄存器、Command寄存器等。设置IP核使能。

4、读取SSD中和NVME协议寄存器,寄存器的偏移量是相对于PCIE BAR寄存器的地址偏移的。比较关键的是CAP寄存器。

5、进行NVME SSD的初始化,设置管理和完成队列的深度、基地址等,并设置CC.EN=1,等待CSTS.RDY为1。

6、发送Admin命令,进行SSD的识别、配置I/O队列数,以及对应的I/O完成队列和提交队列的ID、基地址、深度等。命令的实现方式和流程按照协议要求来就行了,基于状态机进行设计。

7、发送I/O命令,进行数据读写,要确认好SSD一次传输的最大数据量是多少,以及一个扇区的大小。

总结

碎碎念:说真的,刚开始做的时候,我是没有想到自己能做出来的,而且这个控制器方案也没有太多可借鉴的开源的设计,该方案都是被拿来售卖的。没想到自己能用两个月的时间给初步实现出来。不过,目前这个方案还不够完善,后续还需要进行优化调整,使其更加易用。比如,通过几个简单的控制信号,就能完成大批量的数据读取,这方面我打算参考商业 IP 的接口设计思路。

后面有时间可以用一个专栏讲解一下实现思路,但是应该不会免费开源,因为该项目完全可以作为一个高端项目供大家深入学习研究,我并不希望它因为过度传播而失去其独特性 ,变得过于泛滥(烂大街)。

相关推荐
hahaha601619 小时前
3NRD降噪算法FPGA实现8并行度设计
fpga开发
松小白song20 小时前
一次“载电流显示为 0“的排查经历:负值钳位引发的踩坑
fpga开发
yingheceping1 天前
复旦微FPGA开发板厂商TOP5甄选榜:2026选型参考
fpga开发·fpga
NamoAmitabha1281 天前
PL 端的 GPIO IP(AXI GPIO)---PS控制----deepseek
fpga开发·zynq--ps
hahaha60161 天前
3D降噪算法YUV降噪FPGA实现
fpga开发
Hello-FPGA2 天前
基于RFSOC FPGA ZCU216 的CoaXPress 采集demo
fpga开发
9527华安2 天前
FPGA基于ADV7182解码PAL视频,Video Processing Subsystem去隔行,提供6套工程源码和技术支持
fpga开发·音视频·pal·adv7182
hahaha60162 天前
数字图像时域滤波或者3D降噪算法FPGA实现
算法·计算机视觉·fpga开发
GateWorld2 天前
Xilinx 7系列FPGA时钟网络详解
fpga开发·时钟网络·xilinx 7系列
szxinmai主板定制专家3 天前
X86 工控机 vs RK3588 异构主控:AMR 控制器 BOM、散热、长期运维对比
运维·stm32·单片机·嵌入式硬件·fpga开发·am62x