NVMe AXI4 Host Controller IP

介紹

NVMe AXI4 Host Controller IP可以連接高速存儲PCIe SSD，無需CPU，自動加速處理所有的NVMe協議命令，具備獨立的數據寫入和讀取AXI4接口，不但適用高性能、順序訪問的應用，也適用于隨機訪問的應用，同時結合外部存儲器（比如DDR），使得Host端的數據訪問管理更加靈活。

無需CPU，NVMe Host Controller IP自動執行對PCIe SSD的PCIe設備枚舉和配置、NVMe控制器識別和初始化、NVMe隊列設置和初始化，實現必須以及可選的NVMe Admin Command Set和NVM Command Set，實現對PCIe SSD的復位/斷電/SMART/Error Information/Device Self-test管理、IO（Page）讀寫、DMA讀寫和數據擦除功能，提供用戶一個簡單高效的接口實現高性能存儲解決方案。

NVMe AXI4 Host Controller IP讀寫的順序傳輸長度是RTL運行時動態可配置的，最小是4K-Byte，最大是512K-Byte。每次讀寫訪問，用戶可以指定本次傳輸的順序傳輸長度（4K~512K Byte），不同的順序傳輸長度對應不同的DMA讀寫性能。

針對多路數據通道訪問PCIe SSD，使用NVMe的多隊列特性，NVMe AXI4 Host Controller IP支持靈活配置DMA讀寫的通道個數，按照NVMe隊列優先級仲裁（循環仲裁或加權循環仲裁）機制，實現多個DMA通道對同一塊PCIe SSD的高效訪問，從而達到多路數據通道訪問的并行需求和QoS要求。

特性

支持Ultrascale+，Ultrascale，7 Series FPGA

支持PCIe Gen4，PCIe Gen3，PCIe Gen2 SSD

無需CPU

自動實現對PCIe SSD的PCIe設備枚舉、NVMe控制器識別和NVMe隊列設置

支持對PCIe SSD的NVM Subsystem Reset、Controller Reset和Shutdown

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

支持NVMe NVM Command Set：Write、Read、Flush、Dataset Management

提供1個Admin命令接口，實現對PCIe SSD的復位/斷電/SMART/Error Information/Device Self-test管理功能

提供1個IO命令接口，實現對PCIe SSD的IO（Page）讀寫、Cache Flush和邏輯數據塊擦除功能；提供1個IO-AXI4-MM接口讀寫IO（page）數據

提供1個DMA命令接口，實現對PCIe SSD的DMA讀寫功能

提供1個DMA-AXI4接口實現DMA數據的輸入和輸出

DMA讀寫的順序傳輸長度可以動態配置，4K-Byte~512K-Byte；不同的順序傳輸長度對應不同的DMA讀寫性能

針對多通道DMA需求，可以配置4個DMA命令接口，1個DMA-AXI4接口

NVMe隊列的個數（配置DMA通道的個數）和深度可配置，平衡對PCIe SSD的DMA性能和消耗的邏輯資源

支持循環仲裁（Round Robin Arbitration）和加權循環仲裁（Weighted Round Robin Arbitration）

支持NVMe Admin和IO命令的超時和錯誤處理恢復機制，提供詳盡以及擴展的訪問錯誤狀態輸出

支持的NVMe設備：

Base Class Code：01h（mass storage），Sub Class Code：08h（Non-volatile），Programming Interface：02h（NVMHCI）

MPSMIN（Memory Page Size Minimum）：0（4K-byte）

MDTS（Maximum Data Transfer Size）：大于等于順序傳輸長度或0（無限制）

LBA Unit：512-byte，1024-byte，2048-byte或4096-byte

一個NVMe AXI4 Host Controller IP直接連接到PCIe SSD

易于集成的同步、可綜合Verilog設計

通過完全驗證的NVMe AXI4 Host Controller IP

概述

NVMe AXI4 Host Controller IP作為一個對PCIe SSD的高性能存儲控制器，不但提供對PCIe SSD的配置管理功能，而且提供對PCIe SSD的IO（Page）讀寫以及DMA讀寫功能。

NVMe AXI4 Host Controller IP具備PCIe SSD Management，實現對PCIe SSD的復位/斷電/SMART/Error Information/Device Self-test管理功能。

NVMe AXI4 Host Controller IP具備ASQ/ACQ引擎，實現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具備IO（Page） Wr/Rd引擎和SQ1/CQ1引擎，實現對PCIe SSD的IO（Page）讀寫、Cache Flush和邏輯數據塊擦除功能。

NVMe AXI4 Host Controller IP具備DMA Wr/Rd引擎和SQn/CQn引擎，實現對PCIe SSD的DMA讀寫功能。

上電后，NVMe AXI4 Host Controller IP內置的PCIe Device Enumerate & Configuration自動實現對PCIe SSD的PCIe設備枚舉和配置；然后內置的NVMe Controller Identify & Initialization自動實現對PCIe SSD的NVMe控制器識別和初始化；最后內置的Queue Setup & Initialization自動實現對PCIe SSD的NVMe隊列設置和初始化。至此，NVMe AXI4 Host Controller IP完成對PCIe SSD的所有配置和初始化工作，可以開始提供對PCIe SSD的讀寫、擦除、復位、斷電、SMART、Device Self-test操作。

圖 2 NVMe AXI4 Host Controller IP結構框圖

產品規格

性能

PCIe配置參數：Max Payload Size=256-byte，Max Read Request Size=512-byte

PCIe Gen3 SSD（三星990 Pro 4TB），Seq=512KB，1個DMA通道：

DMA寫入速度3380MB/s

DMA讀取速度3550MB/s

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

DMA寫入速度3320MB/s

DMA讀取速度3480MB/s

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

DMA寫入速度3350MB/s

DMA讀取速度3440MB/s

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

DMA寫入速度2950MB/s

DMA讀取速度3430MB/s

資源

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

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

審核編輯 黃宇