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支持Ultrascale+,Ultrascale,7 Series FPGA 支持PCIe Gen4,PCIe Gen3,PCIe Gen2 SSD 无需CPU 自动实现对PCIe SSD的PCIe设备枚举、NVMe控制器识别和NVMe队列设置 支持对PCIe SSD的NVM Subsystem Reset、Controller Reset和Shutdown 支持NVMe Admin Command Set:Identify、SMART、Error Information、Device Self-test、Create/Delete IO Submission/Completion Queue、Set Features – Volatile Write Cache/Arbitration 支持NVMe NVM Command Set:Write、Read、Flush、Dataset Management 1. PCIe Gen3 SSD(三星990 Pro 4TB),Seq=512KB,1个DMA通道: a) DMA写入速度3380MB/s b) DMA读取速度3550MB/s
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NVMe AXI4 Host Controller IP User Guide
NVMe AXI4 Host Controller IP
User Guide
V1.0
July 15,2024
Revision History
The following table shows the revision history for this document.
Data
Version
Revision
2024.7.15
1.0
DMA读写的顺序传输长度可配置:4K~512K-Byte;
DMA通道个数可配置:1-4个
支持加权循环仲裁
NVMe AXI4 Host Controller IP User Guide
i
目 录
1 介绍 ..................................................................................................... 1
1.1 特性 ............................................................................................ 1
2 概述 ..................................................................................................... 2
3 产品规格 ............................................................................................ 3
3.1 性能 ............................................................................................ 3
3.2 资源 ............................................................................................ 4
4 参数 ..................................................................................................... 5
5 接口 ..................................................................................................... 7
5.1 PCIE 时钟复位接口 .................................................................. 7
5.2 NVME TIE-OFF .......................................................................... 7
5.3 ADMIN 命令接口 ........................................................................ 8
5.4 IO 命令接口 ............................................................................... 8
5.5 DMA 命令接口 .......................................................................... 9
5.6 IO-AXI4-MM 接口 ................................................................. 10
5.7 DMA-AXI4-MM 接口 ............................................................ 11
5.8 PCIE 设备枚举和配置状态输出 ............................................ 12
5.9 NVME 控制器识别和初始化状态输出 .................................. 13
5.10 NVME 队列设置和初始化状态输出 ...................................... 16
5.11 NVME ADMIN COMPLETION QUEUE ENTRY 状态输出 ......... 17
5.12 NVME IO COMPLETION QUEUE 1 ENTRY 状态输出 ............. 18
5.13 NVME IO COMPLETION QUEUE N ENTRY 状态输出 ............. 19
5.14 PCIE 设备配置接口(仅用于调试) .................................... 20
5.15 NVME 控制器配置接口(仅用于调试).............................. 20
5.16 PCIE 接口 ................................................................................. 20
6 命令 ................................................................................................... 20
6.1 POWER-UP 初始化状态 ............................................................ 20
NVMe AXI4 Host Controller IP User Guide
ii
6.2 NVM SUBSYSTEM RESET ......................................................... 21
6.3 NVME CONTROLLER RESET ................................................... 22
6.4 IDENTIFY ................................................................................... 22
6.5 IO(PAGE)写入 .......................................................................... 23
6.6 IO(PAGE)读取 .......................................................................... 23
6.7 DMA 写 .................................................................................... 23
6.8 DMA 读 .................................................................................... 24
6.9 FLUSH ....................................................................................... 24
6.10 擦除 .......................................................................................... 24
6.11 SMART .................................................................................... 25
6.12 ERROR INFORMATION LOG ...................................................... 25
6.13 START DEVICE SELF-TEST ........................................................ 25
6.14 ABORT DEVICE SELF-TEST ....................................................... 25
6.15 DEVICE SELF-TEST LOG ........................................................... 26
6.16 CSTS ........................................................................................ 26
6.17 SHUTDOWN ............................................................................... 26
NVMe AXI4 Host Controller IP User Guide
1
1 介绍
NVMe AXI4 Host Controller IP 可以连接高速存储 PCIe SSD,无需 CPU,自动加
速处理所有的 NVMe 协议命令,具备独立的数据写入和读取 AXI4 接口,不但适用高
性能、顺序访问的应用,也适用于随机访问的应用,同时结合外部存储器(比如 DDR),
使得 Host 端的数据访问管理更加灵活。
无需 CPU,NVMe AXI4 Host Controller IP 自动执行对 PCIe SSD 的 PCIe 设备枚举
和配置、NVMe 控制器识别和初始化、NVMe 队列设置和初始化,实现必须以及可选
的 NVMe Admin Command Set 和 NVM Command Set,实现对 PCIe SSD 的复位/断电
/SMART/Error Information/Device Self-test 管理、IO(Page)读写、DMA 读写和数据
擦除功能,提供用户一个简单高效的接口实现高性能存储解决方案。
NVMe AXI4 Host Controller IP 读写的顺序传输长度是运行时动态可配置的,最小
是 4K-Byte,最大是 512K-Byte。每次读写访问,用户可以指定本次传输的顺序传输长
度(4K~512K Byte),不同的顺序传输长度对应不同的 DMA 读写性能。
针对多路数据通道访问 PCIe SSD,使用 NVMe 的多队列特性,NVMe AXI4 Host
Controller IP 支持灵活配置 DMA 读写的通道个数,按照 NVMe 队列优先级仲裁(循
环仲裁或加权循环仲裁)机制,实现多个 DMA 通道对同一块 PCIe SSD 的高效访问,
从而达到多路数据通道访问的并行需求和 QoS 要求。
1.1 特性
➢ 支持 Ultrascale+,Ultrascale,7 Series FPGA
➢ 支持 PCIe Gen4,PCIe Gen3,PCIe Gen2 SSD
➢ 无需 CPU
➢ 自动实现对 PCIe SSD 的 PCIe 设备枚举、NVMe 控制器识别和 NVMe 队列设
置
➢ 支持对 PCIe SSD 的 NVM Subsystem Reset、Controller Reset 和 Shutdown
➢ 支持 NVMe Admin Command Set:Identify、SMART、Error Information、Device
Self-test、Create/Delete IO Submission/Completion Queue、Set Features – Volatile
Write Cache/Arbitration
➢ 支持 NVMe NVM Command Set:Write、Read、Flush、Dataset Management
NVMe AXI4 Host Controller IP User Guide
2
➢ 提供 1 个 Admin 命令接口,实现对 PCIe SSD 的复位/断电/SMART/Error
Information/Device Self-test 管理功能
➢ 提供 1 个 IO 命令接口,实现对 PCIe SSD 的 IO(Page)读写、Cache Flush
和逻辑数据块擦除功能;提供 1 个 IO-AXI4-MM 接口读写 IO(page)数据
➢ 提供 1 个 DMA 命令接口,实现对 PCIe SSD 的 DMA 读写功能
◼ 提供 1 个 DMA-AXI4 接口实现 DMA 数据的输入和输出
➢ DMA 读写的顺序传输长度可以动态配置,4K-Byte~512K-Byte;不同的顺序
传输长度对应不同的 DMA 读写性能
➢ 针对多通道 DMA 需求,可以配置 4 个 DMA 命令接口,1 个 DMA-AXI4 接
口
➢ NVMe 队列的个数(配置 DMA 通道的个数)和深度可配置,平衡对 PCIe SSD
的 DMA 性能和消耗的逻辑资源
➢ 支持循环仲裁(Round Robin Arbitration)和加权循环仲裁(Weighted Round
Robin Arbitration)
➢ 支持 NVMe Admin 和 IO 命令的超时和错误处理恢复机制,提供详尽以及扩
展的访问错误状态输出
➢ 支持的 NVMe 设备:
◼ Base Class Code:01h(mass storage),Sub Class Code:08h(Non-volatile),
Programming Interface:02h(NVMHCI)
◼ MPSMIN(Memory Page Size Minimum): 0(4K-byte)
◼ MDTS(Maximum Data Transfer Size):大于等于顺序传输长度或 0(无
限制)
◼ LBA Unit:512-byte,1024-byte,2048-byte 或 4096-byte
➢ 一个 NVMe AXI4 Host Controller IP 直接连接到 PCIe SSD
➢ 易于集成的同步、可综合 Verilog 设计
➢ 通过完全验证的 NVMe AXI4 Host Controller IP
2 概述
NVMe AXI4 Host Controller IP 作为一个对 PCIe SSD 的高性能存储控制器,不但
提供对 PCIe SSD 的配置管理功能,而且提供对 PCIe SSD 的 IO(Page)读写以及 DMA
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FPGAIP
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