可乐学习NVMe之一：为什么SSD需要NVMe

本文是个人学习NVMe的一个总结，借鉴网络资料https://cloud.tencent.com/developer/article/1458759和个人实践经历一共分四篇阐述NVMe。
可乐学习NVMe之二：三只熊SQ/CQ/DB
可乐学习NVMe之三：深入解读PRP/SGL
可乐学习NVMe之四：粗茶淡饭NameSpace

1. NVMe SSD 结构简图

整体来看，NVMe SSD可以分为三部分，host端的驱动NVMe Driver、PCIe+NVMe实现的控制器以及NAND Flash+DDR4/DDR5存储介质。

芯片回片后Host侧软件或者驱动开发主要在应用层，通过一些测试工具进行benchmark跑分测试，performance性能分析，latency分析、stress-testing等等：

那么，接下来阐述为什么SSD需要NVMe，并再后续的文章介绍NVMe协议分析，个人针对协议的理解，如果有不当之处，还请各位大侠们留言指出。

2. 为什么SSD需要NVMe ？

NVMe是一种Host与SSD之间通讯的协议，它在协议栈中隶属高层。

NVMe在协议栈中处于应用层或者命令层, NVMe的附属就是PCIe，它所制定的任何命令，都交由PCIe去完成。虽然NVMe的命令可能可以由别的接口协议完成，但NVMe与PCIe合作形成的战斗力无疑是最强的。

NVMe是为SSD所生的。NVMe出现之前，SSD绝大多数走的是AHCI和SATA的协议，后者其实是为传统HDD服务的。与HDD相比，SSD具有更低的延时和更高的性能，AHCI已经不能跟上SSD性能发展的步伐了，已经成为制约SSD性能的瓶颈。所有SATA接口的SSD，你去看性能参数，会发现都不会超过600MB/s。如果碰到有人跟你说它的SATA SSD读取性能可以超过600MB/s，直接拨打110报警。不是底层Flash带宽不够，是SATA接口速度限制了，因为SATA现在最高带宽就是600MB/s。那么既然SATA接口速度太慢，我用PCIe好了，不过上层协议还是AHCI。但是AHCI只有一个命令队列，最多同时只能发32条命令，HDD时代（群雄逐鹿）还能混混，SSD时代（三足鼎立）就只有被灭的份。所以同样，SSD需要PCIe，更需要NVMe。

3. NVMe 命令分类

NVMe主要常用的有两种命令。一种Admin Command，用以Host管理和控制SSD; 另外一种是IO Command 即为NVM Command，用以Host和SSD之间的数据传输。NVM层次关系如下，最小的操作单元为LB。

下面是NVMe1.3的指令集。

1. NVMe支持的Admin Command:

NVM Command Set Specific:

2. NVMe支持的I/O Command:

上述命令集了解一下就好，真正干活的时候再查表效果更佳。

有了上述命令，那么Host是如何把这些个命令发送给SSD执行的呢？

NVMe有三个宝贝。大宝是Submission Queque(SQ)、二宝是Completion Queque(CQ)、三宝是Doorbell Register (DB), 其中SQ和CQ位于host的内存中，DB位于SSD的控制器内部。如图：

这张图信息量比较大，除了让我们知道SQ和CQ在Host的memory中以及DB在SSD端外，而且让我们对一个PCIe系统有一个具体的认识。上图中的NVMe Subsystem一般就是SSD。请看这张图几秒钟，然后闭上眼，脑补SSD所处的位置：SSD作为一个PCIe Endpoint通过PCIe连着Root Complex （RC）, 然后RC连接着CPU和内存。RC是什么？我们可以认为RC就是CPU的代言人，作为系统中最高层，SQ位于Host内存中，Host要发送命令时，先把准备好的命令放在SQ中，然后通知SSD来取；CQ也是位于Host内存中，一个命令执行完成，成功或失败，SSD总会往CQ中写入命令完成状态。DB又是干什么用的呢？Host发送命令时，不是直接往SSD中发送命令的，而是把命令准备好放在自己的内存中，那怎么通知SSD来获取命令执行呢？Host就是通过写SSD端的三宝寄存器来告知SSD的。

OK，具体的我们来看看NVMe是如何处理命令的，看图说话：

1. Host将命令(一条或者多条)写入提前分配好的SQ中；

2. Host写SQ对应的DB寄存器，通知SSD取指；

3. SSD收到通知，于是从SQ中取指（通过HDB或者TDB可以判断是否有未完成命令）；

4. SSD执行指令；

5. 指令执行完成，SSD往CQ中写指令执行结果（结果可能是失败，也可能是成功）；

6. 然后SSD根据实现的中断方式发短信通知Host指令完成；

7. host响应中断收到短信，Host处理CQ，查看指令完成状态；

8. Host处理完CQ中的指令执行结果，通过DB回复SSD：指令执行结果已处理，辛苦您了！

后续关于这个话题，采用连载的方式推出，后续还有可乐学习NVMe之二，之三…