理解NVMe的内部实现原理

Me的队列分为2种，其中一种是用于管理的队列，称为Admin Queue(管理队列)，仅有一个，另外一种是命令队列(Command Queue)，最多可以有65535个。其中命令队列的数量和模式都是通过管理队列来设置的。其中每一个队列实际上是一个队列对，也就是包括两个队列，分别是提交队列(Submission Queue)和完成队列(Completion Queue)。提交队列用于主机端向NVMe设备发送NVMe命令，而完成队列则用于NVMe设备向主机反馈命令执行情况。实际上NVMe还有另外一种模式，就是多个提交队列共享同一个完成队列的情况，本文暂时不做介绍。

NVMe队列及命令的处理流程

上文我们知道NVMe是通过队列传递控制命令和命令等内容的，那么这里的队列实体到底是什么呢?其实这里提交队列和完成队列就是内存的一个区域。在数据结构原理上这里的队列其实是一个环形缓冲区，如图3所示。VMe通过一种门铃机制(Doorbell)来告知控制器命令队列是否有新数请求/命令。也就是说每个队列都有一个门铃指针。对于发送队列来说，这个指针表示的是发送队列的尾指针。主机端将数据写入到发送队列后，更新映射到位于设备寄存器空间中的门铃的尾指针。此时，在控制器端就知道有新的请求/命令到来，接下来就可以进行对其进行处理。

当控制器完成一个NVMe请求时，通过完成队列来把完成的结果告知主机端。与发送队列不同，完成队列是通过中断机制(可以是INTx，MSI或MSIx)告诉主机端。如图4是一个命令的完整处理流程。在这个命令格式中有几个字段本身是比较复杂的，限于篇幅，且不打算让大家看完本文后头疼，本文不打算介绍所有细节。本文简单的介绍一下该命令格式的几个关键字段。其中Command Identifier标识一个具体的命令。Namespace Identifier则表示命令发送到那个命名空间。Data Pointer 1 和Data Pointer 2则用于标识数据的具体位置。

这里有两点需要说明：

• NVMe的一个控制器下面可以有多个命名空间(Namespace)，通过Namespace ID来标识的。
• 命令与数据是分离的，并不像TCP那样数据在命令后面。

我们这里重点介绍一下Command Identifier，该字段占用4个字节的空间。虽然仅有4个字节，但有分为3大部分，6小部分，具体如图6所示。

（编辑：PHP编程网 - 黄冈站长网）

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