NVMe IP现状扫盲

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,例如串行高级技术附件(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数据的传输,包括FC、InfiniBand、RoCE V2、iWARP和TCP。随着协议的不断完善,越来越多的系统和应用采用NVMe存储接口的SSD,这种技术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完成了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,实现了135 MB/s的写入速度和143 MB/s的读取速度。

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,通过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端的命令需要经过文件系统层、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。若想要在嵌入式系统中充分发挥NVMe协议的高速读写性能,一方面可以通过优化软件执行流程,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。另一方面可以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,硬件电路可以通过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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