一种NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法

摘要

本发明涉及一种NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法，其中，包括：将硬件逻辑分为命令接收模块、命令分析模块以及命令处理模块；命令接收模块接收来自PCIe IP核的NVMe管理命令，接收到的命令存储在本地缓存命令FIFO中；命令分析模块检测该FIFO的空标志，如果该FIFO不为空，则读取该FIFO中的命令，读取完成之后，提取管理命令中的操作码，并参照NVMe协议，识别出不同的NVMe管理命令，交由命令处理模块进行处理；命令处理模块接收来自命令分析模块中分析的指令，针对不同指令处理不同的NVMe管理命令。本发明可以提高NVMe管理命令的响应处理时间，能够提高大容量固态盘的能效比。

权利要求

1.一种NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法，其特征在于，包括：将硬件逻辑分为命令接收模块、命令分析模块以及命令处理模块；

命令接收模块接收来自PCIe IP核的NVMe管理命令，接收到的命令存储在本地缓存命令FIFO中；命令分析模块检测该FIFO的空标志，如果该FIFO不为空，则读取该FIFO中的命令，读取完成之后，提取管理命令中的操作码，并参照NVMe协议，识别出不同的NVMe管理命令，交由命令处理模块进行处理；命令处理模块接收来自命令分析模块中分析的指令，针对不同指令处理不同的NVMe管理命令；

命令处理模块接收命令分析模块的指令，如果是识别命令，从ROM中读取数据结构，通过PCIe模块发送；如果是其他指令，直接写相应的寄存器，处理完成通知主机。

2.如权利要求1所述的NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法，其特征在于，命令分析模块采用状态机的方式实现，由6个状态描述，分别是空闲状态、读取缓存命令FIFO状态、提取操作码状态、判断命令状态、发送识别命令状态和发送其他指令状态。

3.如权利要求2所述的NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法，其特征在于，在空闲状态下，检测命令接收模块中缓存命令FIFO的空标志，如果该FIFO为空，则表示没有收到NVMe管理命令，状态保持在空闲状态；当缓存命令FIFO不为空，则表示有NVMe管理命令待处理，状态跳转到读取缓存命令FIFO状态；

在读取缓存命令FIFO状态下，读取NVMe管理命令，缓存命令FIFO位宽为128位，该读取缓存命令FIFO状态持续至读取一次提交命令的时间，然后状态跳转到提取操作码状态；

在提取操作码状态，提取NVMe管理提交命令中的操作码，提取完成之后，状态跳转到判断命令状态；

在判断命令状态下，判断NVMe管理命令是否为识别命令，如果为识别命令，则状态跳转到发送识别命令状态；如果不是识别命令，则状态跳转到发送其他指令状态；

在发送识别命令状态下，向命令处理模块发送操作码和PCIe地址，发送完成之后，状态跳转到空闲状态；

在发送其他指令状态下，向命令处理模块发送其他指令，该其他指令中包含操作码信息，发送完成之后，状态跳转到空闲状态。

4.如权利要求1所述的NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法，其特征在于，命令处理模块采用状态机的方式实现，由10个状态描述，分别是空闲状态、提取有效数据状态、判断命令类型状态、ROM读状态、PCIe请求状态、等待PCIe应答状态、PCIe写数据状态、判断命令是否完成状态、命令完成状态和写寄存器状态。

5.如权利要求4所述的NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法，其特征在于，在空闲状态下，判断是否有效命令标志为高，如果为高，则状态跳转到提取有效数据状态，否则状态不变；

在提取有效数据状态下，提取操作码、PCIe地址以及标识号，状态跳转到判断命令类型状态；

在判断命令类型状态下，判断命令是否为识别命令，如果是，则状态跳转到ROM读状态，否则状态跳转到写寄存器状态；

在写寄存器状态下，将提取出来的有效信息写入相应寄存器中，状态跳转到命令完成状态；

在ROM读状态下，向缓存识别命令数据的ROM发起读请求，状态跳转到PCIe请求状态；

在PCIe写请求状态下，向PCIe模块发起请求使用发送通道资源的信号，状态跳转到等待PCIe应答状态；

在等待PCIe应答信号状态下，判断PCIe模块是否返回应答信号，如果有，则状态跳转到PCIe写数据状态；

在PCIe写数据状态下，将缓存识别命令数据的ROM块中的数据填入字段中写出去，状态跳转到判断命令是否完成状态；

在命令是否完成状态下，判断剩余数据长度是否为0，如果是，则状态跳转到命令完成状态；否则状态跳转到ROM读状态；

在命令完成状态下，向主机发送完成报文，状态跳转到空闲状态。

6.如权利要求1所述的NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法，其特征在于，管理命令包括：

(1)删除I/O提交队列；

(2)创建I/O提交队列；

(3)删除I/O完成队列；

(4)创建I/O完成队列；以及

(5)识别。

7.如权利要求1或3所述的NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法，其特征在于，在发送其他指令状态下，向命令处理模块发送其他指令，该其他指令中包含操作码，发送完成之后，状态跳转到空闲状态。

8.如权利要求1所述的NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法，其特征在于，命令分析模块分析主机下发的命令类型，识别命令和其他管理命令处理有所不同，在处理模块中区别对待。

9.如权利要求1所述的NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法，其特征在于，其中命令分析模块直接从命令接收模块的缓存命令FIFO中读取NVMe管理命令，取出其中的操作码进行分析，针对不同的NVMe管理命令，发送不同的标识指令到命令处理模块。

说明书

一种NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高能效固态存储领域，特别涉及NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法。

背景技术

[0002] 现有固态盘控制器通常采用CPU与专用电路协同处理主机下发的NVMe管理命令，其处理流程在命令分析阶段有所不同，专用电路收到NVMe管理命令之后，CPU检测标志位，
通过片上总线从专用电路中读取NVMe管理命令，读取完之后，在CPU上对这些命令进行分
析，针对不同命令，给专用电路下发不同的处理命令，处理这些管理命令。

[0003] 固态盘控制器CPU与专用电路交互一次需要消耗多个时钟周期，每个提交命令有64字节，总线位宽32位，需要消耗16次交互，总的交互时间已经达到us级，再加上CPU对NVMe
管理命令的分析处理，时间消耗较大；而且固态盘控制器的CPU任务较多，需要不断巡检专
用硬件电路中命令有无的标志位，消耗CPU的处理资源，不利于固态盘提高性能。

发明内容

[0004] 本发明涉及一种NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法，用于解决NVMe管理命令处理占用CPU资源，同时提高NVMe管理命令的响应速度的问题。

[0005] 本发明一种NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法，其中，包括：将硬件逻辑分为命令接收模块、命令分析模块以及命令处理模块；命令接收模块接收来自PCIe IP核的NVMe
管理命令，接收到的命令存储在本地缓存命令FIFO中；命令分析模块检测该FIFO的空标志，
如果该FIFO不为空，则读取该FIFO中的命令，读取完成之后，提取管理命令中的操作码，并
参照NVMe协议，识别出不同的NVMe管理命令，交由命令处理模块进行处理；命令处理模块接
收来自命令分析模块中分析的指令，针对不同指令处理不同的NVMe管理命令。

[0006] 根据本发明的NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法的一实施例，其中，命令分析模块采用状态机的方式实现，由6个状态描述，分别是空闲状态、读取缓存命令FIFO状态、
提取操作码状态、判断命令状态、发送识别命令状态和发送其他指令状态。

[0007] 根据本发明的NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法的一实施例，其中，在空闲状态下，检测命令接收模块中缓存命令FIFO的空标志，如果该FIFO为空，则表示没有收到
NVMe管理命令，状态保持在空闲状态；当缓存命令FIFO不为空，则表示有NVMe管理命令待处
理，状态跳转到读取FIFO状态；在读取缓存命令FIFO状态下，读取NVMe管理命令，缓存命令
FIFO位宽为128位，该状态持续至读取一次提交命令的时间，然后状态跳转到提取操作码状
态；在提取操作码状态，提取NVMe管理提交命令中的操作码，提取完成之后，状态跳转到判
断命令状态；在判断命令状态下，判断NVMe管理命令是否为识别命令，如果为识别命令，则
状态跳转到发送识别命令状态；如果不是识别命令，则状态跳转到发送其他指令状态；在发
送识别命令状态下，向命令处理模块发送操作码和PCIe地址，发送完成之后，状态跳转到空
闲状态；在发送其他指令状态下，向命令处理模块发送其他指令，该其他指令中包含操作码
等信息，发送完成之后，状态跳转到空闲状态。

[0008] 根据本发明的NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法的一实施例，其中，命令处理模块采用状态机的方式实现，由10个状态描述，分别是空闲状态、提取有效数据状态、判
断命令类型状态、ROM读状态、PCIe请求状态、等待PCIe应答状态、PCIe写数据状态、判断命
令是否完成状态、命令完成状态和写寄存器状态。

[0009] 根据本发明的NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法的一实施例，其中，在空闲状态下，判断是否有效命令标志为高，如果为高，则状态跳转到提取有效数据状态，否则状
态不变；在提取有效数据状态下，提取操作码、PCIe地址以及标识号，状态跳转到判断命令
类型状态；在判断命令类型状态下，判断命令是否为识别命令，如果是，则状态跳转到ROM读
状态，否则状态跳转到写寄存器状态；在写寄存器状态下，将提取出来的有效信息写入相应
寄存器中，状态跳转到命令完成状态；在ROM读状态下，向缓存识别命令数据的ROM发起读请
求，状态跳转到PCIe写请求状态；在PCIe写请求状态下，向PCIe模块发起请求使用发送通道
资源的信号，状态跳转到等待PCIe应答信号状态；在等待PCIe应答信号状态下，判断PCIe模
块是否返回应答信号，如果有，则状态跳转到PCIe写数据状态；在PCIe写数据状态下，将缓
存识别命令数据的ROM块中的数据填入字段中写出去，状态跳转到命令是否完成状态；在命
令是否完成状态下，判断剩余数据长度是否为0，如果是，则状态跳转到命令完成状态；否则
状态跳转到ROM读状态；在命令完成状态下，向主机发送完成报文，状态跳转到空闲状态。

[0010] 根据本发明的NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法的一实施例，其中，管理命令包括：(1)删除I/O提交队列；(2)创建I/O提交队列；(3)删除I/O完成队列；(4)创建I/O完
成队列；以及(5)识别。

[0011] 根据本发明的NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法的一实施例，其中，在发送其他指令状态下，向命令处理模块发送其他指令，该指令中包含操作码，发送完成之后，状
态跳转到空闲状态。

[0012] 根据本发明的NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法的一实施例，其中，命令分析模块分析主机下发的命令类型，识别命令和其他管理命令处理有所不同，在处理模块中
区别对待。

[0013] 根据本发明的NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法的一实施例，其中，命令处理模块接收命令分析模块的指令，如果是识别命令，从ROM中读取数据结构，通过PCIe模块
发送；如果是其他模块，直接写相应的寄存器，处理完成通知主机。

[0014] 根据本发明的NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法的一实施例，其中，其中命令分析模块直接从命令接收模块的缓存命令FIFO中读取NVMe管理命令，取出其中的操作码
进行分析，针对不同的NVMe管理命令，发送不同的标识指令到命令处理模块。

[0015] 本发明一种NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法，该方法通过硬件电路实现NVMe协议管理命令，无需CPU参与，以提高运行效率。该硬件电路包括命令接收模块、命令分
析模块和命令处理模块。另外，为提高命令执行效率，在硬件中增加存放识别命令数据的
ROM。该硬件电路工作流程为管理命令经PCIe模块，由命令接收模块接收，命令分析模块和
命令处理模块直接在硬件中对其进行处理，缩短命令处理时间。该方法可以用于高能效固
态盘控制器的设计中。

附图说明

[0016] 图1为NVMe管理命令卸载示意图；

[0017] 图2为NVMe控制器管理命令分析模块处理流程图；

[0018] 图3为NVMe控制器管理命令处理模块流程图。

具体实施方式

[0019] 为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

[0020] 图1为NVMe管理命令卸载示意图，图2为NVMe控制器管理命令分析模块处理流程图，图3为NVMe控制器管理命令处理模块流程图，如图1至图3所示，本发明一种NVMe协议管
理命令处理的硬件卸载方法，步骤如下：

[0021] (1)主机的标准NVMe驱动通过PCIe接口发送命令到固态盘存储器中，发送的命令如创建I/O提交命令等管理命令；

[0022] (2)固态盘控制器通过PCIe IP核接收主机下发的管理命令；

[0023] (3)固态盘控制器命令分析模块分析主机下发的命令类型，识别命令和其他管理命令处理有所不同，在处理模块中区别对待；

[0024] (4)控制器中命令处理模块接收命令分析模块的指令，如果是识别命令，从ROM中读取数据结构，通过PCIe模块发送；如果是其他模块，直接写相应的寄存器，处理完成通知
主机。

[0025] 其中命令分析模块直接从命令接收模块的缓存命令FIFO中读取NVMe管理命令，取出其中的操作码进行分析，针对不同的NVMe管理命令，发送不同的标识指令到命令处理模
块

[0026] 如图1所示，固态盘控制器利用硬件卸载的思想，单独采用硬件专用电路处理NVMe管理命令，无需CPU参与，从而提高NVMe管理命令的处理速度。硬件模块调用PCIe IP核，命
令接收模块接收来自PCIe IP核的NVMe管理命令，接收到的命令存储在本地缓存命令FIFO
中；命令分析模块检测该FIFO的空标志，如果该FIFO不为空，则读取该FIFO中的命令，读取
完成之后，提取管理命令中的操作码，参照NVMe协议，识别出不同的NVMe管理命令，交由命
令处理模块进行处理；命令处理模块接收来自命令分析模块中分析的指令，针对不同指令
处理不同的NVMe管理命令。

[0027] 如图2所示，命令分析模块采用状态机的方式实现功能。该模块状态机由6个状态描述，分别是空闲状态、读取缓存命令FIFO状态、提取操作码状态、判断命令状态、发送识别
命令状态和发送其他指令状态。

[0028] 在空闲状态下，检测命令接收模块中缓存命令FIFO的空标志，如果该FIFO为空，则表示没有收到NVMe管理命令，状态保持在空闲状态；当缓存命令FIFO不为空，则表示有NVMe
管理命令待处理，状态跳转到读取FIFO状态；

[0029] 在读取缓存命令FIFO状态下，读取NVMe管理命令。缓存命令FIFO位宽为128位，读取一次提交命令需要4个时钟，所以该状态持续4个时钟，然后状态跳转到提取操作码状态；

[0030] 在提取操作码状态，提取NVMe管理提交命令中的操作码，提取完成之后，状态跳转到判断命令状态；

[0031] 在判断命令状态下，判断NVMe管理命令是否为识别命令。识别命令涉及到从ROM中读取识别命令字段，需要命令处理模块与ROM交互，所以分开处理；如果为识别命令，则状态
跳转到发送识别命令状态；如果不是识别命令，则状态跳转到发送其他指令状态；

[0032] 在发送识别命令状态下，向命令处理模块发送操作码和PCIe地址，发送完成之后，状态跳转到空闲状态；

[0033] 在发送其他指令状态下，向命令处理模块发送其他指令，该指令中包含操作码等信息，发送完成之后，状态跳转到空闲状态。

[0034] 如图3所示，命令处理模块采用状态机的方式实现功能。该模块由10个状态描述，分别是空闲状态、提取有效数据状态、判断命令类型状态、ROM读状态、PCIe请求状态、等待
PCIe应答状态、PCIe写数据状态、判断命令是否完成状态、命令完成状态和写寄存器状态。

[0035] 在空闲状态下，判断是否有效命令标志为高，如果为高，则状态跳转到提取有效数据状态；否则状态不变；

[0036] 在提取有效数据状态下，提取操作码、PCIe地址、标识号等信息，状态跳转到判断命令类型状态；

[0037] 在判断命令类型状态下，判断命令是否为识别命令，如果是，则状态跳转到ROM读状态；否则状态跳转到写寄存器状态；

[0038] 在写寄存器状态下，将提取出来的有效信息写入相应寄存器中，状态跳转到命令完成状态；

[0039] 在ROM读状态下，向缓存识别命令数据的ROM发起读请求，状态跳转到PCIe写请求状态；

[0040] 在PCIe写请求状态下，向PCIe模块发起请求使用发送通道资源的信号，状态跳转到等待PCIe应答信号状态；

[0041] 在等待PCIe应答信号状态下，判断PCIe模块是否返回应答信号，如果有，则状态跳转到PCIe写数据状态，否则在该状态等待；

[0042] 在PCIe写数据状态下，将缓存识别命令数据的ROM块中的数据填入字段中写出去，状态跳转到命令是否完成状态；

[0043] 在命令是否完成状态下，判断剩余数据长度是否为0，如果是，则状态跳转到命令完成状态；否则状态跳转到ROM读状态；

[0044] 在命令完成状态下，向主机发送完成报文，状态跳转到空闲状态。

[0045] 本发明采用一种NVMe协议管理命令处理的硬件卸载方法，可以极大提高NVMe管理命令的响应处理时间，同时释放一部分CPU资源，能够提高大容量固态盘的能效比。

[0046] 本发明在固态盘控制器内部引入硬件卸载的思想，将命令分析模块和命令处理模块下放到硬件中实现，更加靠近命令源，缩短了命令的处理路径。把原本由CPU与专用电路
协同处理的NVMe管理命令完全卸载到硬件电路中实现。相比传统的协同处理方式，该方法
无需CPU参与，减轻了CPU的资源消耗，减少CPU与专用电路之间的总线交互，提高了大容量
固态盘的稳定性；专用电路直接从内部模块读取NVMe管理命令，提高了NVMe管理命令的响
应速度和分析速度，提升了固态盘的能效比。

[0047] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形
也应视为本发明的保护范围。