隊(duì)列管理模塊是整個(gè)NVMe Host控制器的核心模塊，該模塊實(shí)現(xiàn)了提交隊(duì)列與完成隊(duì)列的管理，多隊(duì)列請求的仲裁判決等功能。隊(duì)列管理模塊中含有數(shù)據(jù)選擇單元、SQ、CQ、和仲裁器等模塊。其中Admin SQ與IO SQ的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一致，包含狀態(tài)機(jī)、BRAM、Tail REG和Head REG。Admin CQ與IO CQ的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一致，包含狀態(tài)機(jī)、Tail REG和Head REG。
隊(duì)列管理模塊框圖如圖1所示。

圖1 隊(duì)列管理模塊框圖
在NVMe協(xié)議中，使用隊(duì)列來傳輸、緩存和處理命令條目，以實(shí)現(xiàn)Host端和NVMe SSD端之間的通信。在CPU上運(yùn)行NVMe軟件協(xié)議棧，其Host端生成提交命令的速度遠(yuǎn)大于NVMe SSD的執(zhí)行速度，同時(shí)由于CPU的指令是順序執(zhí)行的，需要通過中斷來通知CPU去處理完成信息。因此，通過增加提交隊(duì)列和完成隊(duì)列的深度可以提高系統(tǒng)的傳輸性能。

設(shè)計(jì)中可以利用FPGA的并行處理能力來加速NVMe Host端的控制流程。相較于軟件協(xié)議棧，通過硬件電路生成提交命令的速度更快，并且能夠通過并行操作去實(shí)時(shí)檢查返回的完成信息，從而避免了采用中斷來通知CPU去處理完成信息而造成延遲較大的問題。本設(shè)計(jì)主要針對順序讀寫場景進(jìn)行了資源方面的優(yōu)化。考慮到在順序讀寫情況下，傳輸性能與隊(duì)列深度的大小無關(guān)，且硬件邏輯生成NVMe命令的速度要遠(yuǎn)大于軟件協(xié)議棧生成NVMe命令的速度，因此通過增加提交隊(duì)列和完成隊(duì)列的深度來提高系統(tǒng)的傳輸性能的方法不再可行，本設(shè)計(jì)將提交隊(duì)列深度設(shè)置為NVMe SSD一次突發(fā)讀取的數(shù)據(jù)量大小，這樣在保證性能的前提下，可以盡可能的減少資源的消耗。此外，取消了完成隊(duì)列緩存的設(shè)計(jì)，對完成信息的解析工作通過組合邏輯電路對其進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，而不用通過中斷來通知NVMe Host檢查，從而可以提高NVMe命令的執(zhí)行效率，并節(jié)省了大量的存儲(chǔ)資源。

提交隊(duì)列內(nèi)部由一個(gè)雙端口RAM、兩個(gè)寄存器和一個(gè)狀態(tài)機(jī)構(gòu)成。其中，提交隊(duì)列分為Admin提交隊(duì)列和I/O提交隊(duì)列，分別用于管理Admin命令和I/O命令。雖然這兩個(gè)隊(duì)列針對的命令條目不同，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同。因此，通過采用相同的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)隊(duì)列，以提高代碼的復(fù)用性和可維護(hù)性。雙端口RAM使用BRAM資源實(shí)現(xiàn)，包括兩個(gè)128位寬、深度可配置的端口，用于實(shí)現(xiàn)NVMe命令的緩存。四個(gè)控制寄存器用于監(jiān)測隊(duì)列狀態(tài)，包括Head指針和Tail指針。Head指針指向隊(duì)列中下一個(gè)被執(zhí)行的命令的位置，Tail指針指向隊(duì)列中下一個(gè)空位置，新產(chǎn)生的命令條目總是被寫入Tail所指向的位置。當(dāng)同一個(gè)隊(duì)列的Head指針等于Tail指針加1時(shí)，表示隊(duì)列為滿；當(dāng)Head指針等于Tail指針時(shí)，表示隊(duì)列為空。該模塊中的狀態(tài)機(jī)用來實(shí)現(xiàn)門鈴寄存器信息更新的流程控制工作。隊(duì)列管理狀態(tài)機(jī)的跳轉(zhuǎn)圖如圖2所示。

圖2 隊(duì)列管理狀態(tài)機(jī)的跳轉(zhuǎn)圖

各狀態(tài)說明如下：

IDLE：空閑狀態(tài)，該狀態(tài)為模塊上電后的初始化狀態(tài)，該狀態(tài)下檢測到s_axis_entry_valid信號(hào)有效時(shí)，表示有提交命令傳輸至隊(duì)列管理模塊，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至RD_SQ_REG狀態(tài)，否則維持當(dāng)前IDLE狀態(tài)。

RD_SQ_REG：讀提交隊(duì)列寄存器狀態(tài)，該狀態(tài)下讀取提交隊(duì)列中的cmd_cnt寄存器，cmd_cnt寄存器負(fù)責(zé)記錄隊(duì)列中緩存的命令數(shù)，即SQ Head指針與SQ Tail指針之差，當(dāng)cmd_cnt寄存器的值大于10時(shí)向仲裁器發(fā)起更新門鈴寄存器請求，這里設(shè)置為10主要是考慮到減少NVMe Host控制器和NVMe SSD之間的數(shù)據(jù)交互次數(shù)，讓其通過突發(fā)傳輸一次讀取多條命令，來達(dá)到提升系統(tǒng)性能的效果，同時(shí)，為了解決長時(shí)間沒有接收到新的提交命令使得小于10條命令無法發(fā)送的情況，添加了超時(shí)機(jī)制，當(dāng)計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器達(dá)到一定值時(shí)，不再等待cmd_cnt滿足條件，直接跳轉(zhuǎn)至SC_REQ狀態(tài)，否則維持當(dāng)前狀態(tài)。

SC_REQ：仲裁請求狀態(tài)，該狀態(tài)下將sq_req信號(hào)置為高電平來向仲裁器發(fā)起仲裁請求，若接收到仲裁授權(quán)，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至SEND狀態(tài)，否則維持當(dāng)前狀態(tài)。

SEND：發(fā)送狀態(tài)，該狀態(tài)下向接口轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送當(dāng)前的隊(duì)列信息，接口轉(zhuǎn)換模塊將內(nèi)部信號(hào)轉(zhuǎn)換為AXI4接口信號(hào)，通過訪問PCIe的BAR空間來實(shí)現(xiàn)對NVMe SSD門鈴寄存器的更新，等待返回應(yīng)答信號(hào)，狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至IDLE狀態(tài)。

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審核編輯 黃宇