NVM-Express-1_1.pdf

### NVMe (Non-Volatile Memory Express) 1.1 规范详解 #### 一、引言 **NVMe（Non-Volatile Memory Express）** 是一种高性能存储接口标准，旨在充分利用高速固态硬盘（SSD）的优势。NVMe 1.1 规范发布于2012年10月11日，它对前一版本进行了改进和完善，并引入了一些新的特性和优化措施。本规范由Intel公司主导开发，并由NVM Express组织维护。 #### 二、概述与范围 ##### 概述 NVMe 是针对PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）总线而设计的一种协议，用于提高数据传输效率和降低延迟。它特别适合于基于闪存技术的存储设备，能够显著提升系统的性能表现。 ##### 范围 NVMe 1.1 规范主要涵盖以下几个方面： - **硬件接口**：定义了NVMe设备与主机之间的物理连接方式。 - **命令集**：规定了NVMe设备支持的命令及其格式。 - **管理功能**：包括设备配置、故障检测和恢复等方面的功能。 - **多路径I/O和命名空间共享**：支持多个独立的I/O路径访问同一命名空间的数据，以实现负载均衡和冗余。 ##### 外部范围 NVMe 1.1 规范不涉及以下领域： - 具体的操作系统实现细节。 - 存储介质的具体物理特性。 - 高级应用程序接口(API)。 #### 三、理论操作 NVMe 设计的核心思想在于最小化不必要的延迟，并最大化并行性。它通过以下几个关键技术实现了这一目标： ##### 多路径I/O和命名空间共享 NVMe 支持多路径I/O，即可以通过多个不同的路径来访问同一个命名空间内的数据。这有助于提高整体性能和数据可靠性。例如，在多控制器架构中，每个控制器都可以作为独立的I/O路径，从而实现负载均衡。 ##### 命名空间 命名空间是NVMe中的一个关键概念，它是存储资源的逻辑视图。一个NVMe设备可以包含多个命名空间，每个命名空间都有一组独特的逻辑块地址（LBA）。这种方式使得在单个设备上支持多个独立的文件系统成为可能。 ##### 命令队列和完成队列 NVMe 使用独立的命令队列和完成队列机制来处理I/O请求。每个队列都有自己的入口表和门铃寄存器。这种设计可以显著减少CPU的开销，并提高并行处理能力。 #### 四、术语定义 NVMe 1.1 规范中包含了一系列专业术语，以下是一些重要的定义： - **Admin Queue（管理队列）**：用于提交和接收与设备配置相关的命令。 - **Arbitration Burst（仲裁爆发）**：指在一个特定时间段内，设备允许的连续I/O操作次数。 - **Arbitration Mechanism（仲裁机制）**：确定哪个I/O请求被优先处理的规则。 - **Candidate Command（候选命令）**：正在等待处理的命令。 - **Command Completion（命令完成）**：当设备完成一个命令时，将相关信息写入到完成队列中。 - **Command Submission（命令提交）**：将命令发送到命令队列的过程。 - **Controller（控制器）**：负责管理和控制NVMe设备的硬件组件。 - **Extended LBA（扩展逻辑块地址）**：允许访问超过传统限制的更大容量的存储空间。 - **Firmware Slot（固件槽位）**：用于存储固件更新或回滚的区域。 - **I/O Command（I/O命令）**：用于读取或写入数据的命令。 - **I/O Completion Queue（I/O完成队列）**：用于接收已完成的I/O命令的通知。 - **I/O Submission Queue（I/O提交队列）**：用于提交I/O命令。 - **Logical Block Address（LBA，逻辑块地址）**：用于唯一标识存储设备上的数据块的位置。 - **Metadata（元数据）**：关于数据的信息，如错误校验信息等。 - **Namespace（命名空间）**：存储资源的逻辑视图。 - **Namespace ID（命名空间ID）**：用于唯一标识一个命名空间。 - **NVM（非易失性内存）**：即使断电后也能保持数据的存储技术。 - **NVM Subsystem（NVM子系统）**：包括一个或多个命名空间以及控制这些命名空间的控制器。 - **Private Namespace（私有命名空间）**：仅供特定用户访问的命名空间。 - **Shared Namespace（共享命名空间）**：可被多个用户同时访问的命名空间。 #### 五、关键词定义 NVMe 1.1 规范中还定义了一系列关键词，用以明确表述其含义和用法： - **Mandatory（必须的）**：表示某个功能或属性是强制性的，所有实现都必须支持。 - **May（可能）**：表示某个行为或状态是可选的，但不是必需的。 - **Optional（可选的）**：表示某个功能或属性是可选的。 - **R（保留）**：表示某个字段或值被保留供将来使用。 - **Reserved（预留）**：与“R”类似，表示某个字段或值被预留，不应被使用。 - **Shall（应当）**：表示某个行为或属性是必须遵循的。 - **Should（应该）**：表示推荐但不是强制性的行为或属性。 以上内容仅为NVMe 1.1 规范的部分摘录，更详细的技术细节和技术背景请参阅完整的规范文档。NVMe 技术的发展和广泛应用对于提高现代计算机系统的存储性能具有重要意义。