本發(fā)明涉及一種nvme控制器及其初始化、數(shù)據(jù)讀寫方法，屬于pcie設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，pcie（peripheral?component?interconnect?express，一種高速串行計算機(jī)擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)，主要用于擴(kuò)充計算機(jī)系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)吞吐量以及提高設(shè)備通信速度）設(shè)備已成為現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于存儲、網(wǎng)絡(luò)、圖形處理等多個領(lǐng)域。由于pcie設(shè)備種類繁多，功能各異，因此對其進(jìn)行有效管理變得至關(guān)重要。

2、為了減少設(shè)計工作量，可以實(shí)現(xiàn)nvme-mi協(xié)議（nvme?management?interface，簡稱nvme-mi協(xié)議，是一種用于管理和監(jiān)控nvme存儲設(shè)備的接口規(guī)范），借助nvme（non-volatilememory?express，是一種高性能的存儲接口和協(xié)議，專為利用pcie總線提供的高帶寬而設(shè)計）生態(tài)來做管理。

3、復(fù)用nvme生態(tài)有以下優(yōu)勢：

4、1、標(biāo)準(zhǔn)化與兼容性：nvme-mi協(xié)議作為nvme規(guī)范的一部分，遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和接口定義。這意味著不同的pcie設(shè)備可以遵循相同的管理協(xié)議，簡化了管理流程，提高了系統(tǒng)的兼容性。

5、2、生態(tài)共享：由于nvme已經(jīng)在存儲領(lǐng)域建立了龐大的生態(tài)系統(tǒng)和廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)，nvme-mi協(xié)議可以復(fù)用這些現(xiàn)有的生態(tài)資源。這意味著開發(fā)者可以利用現(xiàn)有的nvme工具、驅(qū)動和應(yīng)用程序來管理pcie設(shè)備，降低了開發(fā)成本和門檻。

6、3、擴(kuò)展性與靈活性：nvme-mi協(xié)議的設(shè)計允許進(jìn)行擴(kuò)展和定制，以滿足不同pcie設(shè)備的管理需求。同時，它還可以與其他管理協(xié)議和接口進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)更全面的系統(tǒng)管理功能。

7、傳統(tǒng)的nvme控制器依賴硬件實(shí)現(xiàn)，硬件需要實(shí)現(xiàn)nvme控制模塊、門鈴模塊、命令收發(fā)模塊、命令處理模塊、prp（physical?region?page，物理區(qū)域頁）處理模塊。nvme控制模塊用于用戶配置nvme控制器，nvme控制器產(chǎn)生對應(yīng)的邏輯進(jìn)行初始化、創(chuàng)建隊(duì)列、重置等操作，并通過中斷通知設(shè)備cpu進(jìn)行相應(yīng)處理。門鈴模塊用于用戶與設(shè)備cpu進(jìn)行交互，用戶寫門鈴模塊，設(shè)備會進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)處理，或者給設(shè)備cpu中斷進(jìn)行命令處理。命令收發(fā)模塊根據(jù)用戶觸發(fā)的門鈴及配置信息，從主機(jī)內(nèi)存的命令隊(duì)列中獲取命令到本地內(nèi)存，或者將設(shè)備的完成命令發(fā)送給主機(jī)內(nèi)存的命令完成隊(duì)列。命令處理模塊解析nvme命令進(jìn)行相應(yīng)的處理或者給到設(shè)備cpu處理。prp處理模塊根據(jù)命令處理模塊處理的指令，獲取prp信息指定的主機(jī)內(nèi)存到prp緩沖區(qū)中。

8、這種方法需要硬件實(shí)現(xiàn)，雖然具有高性能和低延遲的特點(diǎn)，但同時也帶來了靈活性方面的限制。硬件邏輯實(shí)現(xiàn)需要專門的硬件設(shè)計、驗(yàn)證過程，這不僅增加了開發(fā)成本，還可能導(dǎo)致產(chǎn)品上市時間延遲。

9、基于此，提出本發(fā)明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明通過軟件結(jié)合通用硬件實(shí)現(xiàn)硬件nvme控制器的功能，需要解決以下幾點(diǎn)問題：

2、1）、nvme控制器實(shí)現(xiàn)了一片寄存器空間，用于主機(jī)和nvme設(shè)備信息交互，讓主機(jī)能控制nvme控制器和獲取nvme控制器狀態(tài)。本發(fā)明采用通用硬件sram（static?random-access?memory，靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器）替代這塊寄存器空間來讓主機(jī)和軟件nvme控制器通信。

3、2）、sram只有存取數(shù)據(jù)的能力，沒有處理邏輯和通知機(jī)制，用戶寫sram的地址空間不能主動通知給設(shè)備cpu，設(shè)備cpu無法做出相應(yīng)的處理。本發(fā)明通過設(shè)備cpu上軟件線程一直輪詢對比sram空間的內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有變化以后進(jìn)行相應(yīng)處理。

4、3）、nvme控制器擁有獲取主機(jī)內(nèi)存到本地緩存和將本地緩存數(shù)據(jù)寫入主機(jī)內(nèi)存功能。設(shè)備cpu是不能直接與主機(jī)內(nèi)存通信的，不能做主機(jī)內(nèi)存和sram數(shù)據(jù)的互拷貝，本發(fā)明借助pcie模塊自帶的dma單元（dma，直接內(nèi)存訪問，允許硬件設(shè)備在無需cpu干預(yù)的情況下直接與內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸）結(jié)合sram來進(jìn)行設(shè)備cpu和主機(jī)內(nèi)存通信，sram設(shè)計兩條通道，通道一留給pcie模塊的dma單元，通道二留給設(shè)備cpu通信。設(shè)備cpu控制pcie模塊的dma單元收發(fā)pcie?tlp包（transaction?layer?packet，傳輸層包，是pcie中用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締卧?，利用通道一將主機(jī)內(nèi)存拷貝到本地sram，cpu通過通道二讀寫sram內(nèi)容。

5、4）、nvme控制器擁有命令處理模塊和prp模塊，硬件解析到不同的命令做不同的處理或者觸發(fā)硬件中斷做處理。本發(fā)明基于軟件實(shí)現(xiàn)這部分邏輯，命令由dma單元獲取到本地sram的命令隊(duì)列中，軟件按順序讀取命令，逐條進(jìn)行處理，如果命令中帶有prp數(shù)據(jù)，設(shè)備cpu解析prp數(shù)據(jù)，再根據(jù)解析到地址，控制dma單元從主機(jī)內(nèi)存取數(shù)據(jù)到sram進(jìn)行處理。

6、本發(fā)明的目的在于提供一種nvme控制器，該nvme控制器通過軟件和通用硬件模塊實(shí)現(xiàn)，基于此nvme控制器，用戶可以將nvme、nvme-mi和自定義指令傳輸給設(shè)備固件，來控制各種pcie設(shè)備。其好處在于，本發(fā)明不依賴硬件實(shí)現(xiàn)，簡化了硬件設(shè)計，復(fù)用nvme協(xié)議做控制，簡化了協(xié)議設(shè)計和實(shí)現(xiàn)，降低了研發(fā)成本和周期。本發(fā)明的具體內(nèi)容如下：

7、第一方面，一種nvme控制器，包括帶dma單元的pcie模塊、地址轉(zhuǎn)換單元atu模塊、sram和設(shè)備cpu；

8、帶dma單元的pcie模塊用于設(shè)備與主機(jī)通信并進(jìn)行設(shè)備與主機(jī)的信息交互，帶dma單元的pcie模塊的接收主機(jī)對sram的讀寫報文，轉(zhuǎn)發(fā)給sram；接收主機(jī)的控制信息自己模塊處理或者轉(zhuǎn)發(fā)給設(shè)備cpu；

9、dma單元接受設(shè)備cpu的控制，主動發(fā)起sram和主機(jī)內(nèi)存間的數(shù)據(jù)搬運(yùn)；

10、地址轉(zhuǎn)換單元atu模塊用于靈活調(diào)整nvme控制器占用的sram區(qū)域；

11、sram用于數(shù)據(jù)緩存；sram具有兩條通道，分別為通道一和通道二，通道一和帶dma單元的pcie模塊相連，通道二和設(shè)備cpu相連；

12、所述設(shè)備cpu包括nvme控制器硬件模擬模塊、nvme協(xié)議通信模塊和應(yīng)用控制模塊，所述nvme控制器硬件模擬模塊輪詢監(jiān)聽nvme控制器的寄存器和門鈴寄存器，再交給其他模塊進(jìn)行nvme的初始化、控制、通信處理；

13、所述nvme協(xié)議通信模塊用于接收主機(jī)的nvme命令、nvme-mi命令以及其他自定義命令，所述nvme協(xié)議通信模塊控制dma單元對主機(jī)內(nèi)存進(jìn)行讀寫，獲取主機(jī)命令，根據(jù)命令類型轉(zhuǎn)交給對應(yīng)的模塊進(jìn)行處理，處理完成后，再將需返回的數(shù)據(jù)寫到主機(jī)內(nèi)存中；

14、所述應(yīng)用控制模塊負(fù)責(zé)初始化nvme控制器和進(jìn)行命令處理。

15、第二方面，一種nvme控制器初始化方法，包括以下步驟：

16、首先，初始化pcie配置空間寄存器，把pcie配置成nvmeep模式，然后初始化nvme控制器寄存器對應(yīng)的sram的值，初始化nvme控制器相關(guān)的基礎(chǔ)屬性；

17、隨后，初始化寄存器監(jiān)控線程，先記錄需要監(jiān)控的sram區(qū)域的初值，進(jìn)入循環(huán)后，判斷寄存器的值是否變化；如果寄存器的值沒有變化則繼續(xù)循環(huán)，直到接收到關(guān)閉設(shè)備的命令退出；

18、當(dāng)寄存器的值有變化，如果是nvme控制器寄存器控制相關(guān)寄存器變化，則執(zhí)行nvme控制器邏輯；如果是nvme控制器寄存器門鈴寄存器有變化，交給nvme協(xié)議通信模塊處理。

19、更進(jìn)一步地，通過應(yīng)用控制模塊初始化pcie配置空間寄存器。

20、更進(jìn)一步地，所述nvme控制器相關(guān)的基礎(chǔ)屬性包括設(shè)備類型、隊(duì)列數(shù)量或隊(duì)列深度。

21、第三方面，一種nvme控制器數(shù)據(jù)讀寫方法，包括如下步驟：

22、步驟1、主機(jī)將一個或多個待執(zhí)行的命令放置在主機(jī)內(nèi)存的下一個空閑的提交隊(duì)列插槽中；

23、步驟2、主機(jī)寫提交隊(duì)列尾部門鈴寄存器，其值為新的提交隊(duì)列尾條目指針的值；nvme控制器硬件模擬模塊監(jiān)控到提交隊(duì)列尾部門鈴寄存值變化，感知到有新命令需要處理，將提交隊(duì)列尾部門鈴寄存器的值交給nvme協(xié)議通信模塊處理；

24、步驟3、nvme協(xié)議通信模塊控制dma單元，將提交隊(duì)列插槽中的命令傳輸?shù)絪ram的命令緩沖區(qū)中；

25、步驟4、nvme協(xié)議通信模塊讀取sram的命令并解析命令，如果命令包含prp信息，nvme解析prp信息，并將prp指代的主機(jī)的內(nèi)存頁通過dma單元傳輸?shù)絪ram的緩沖區(qū)中；

26、步驟5、nvme協(xié)議通信模塊解析命令并將命令交給應(yīng)用控制模塊進(jìn)行相應(yīng)業(yè)務(wù)處理；

27、步驟6、在命令執(zhí)行完成后，nvme協(xié)議通信模塊生成一條完成隊(duì)列條目存放到sram中，之后nvme協(xié)議通信模塊控制dma單元，將完成隊(duì)列條目存入主機(jī)的關(guān)聯(lián)完成隊(duì)中的下一個空閑插槽中；

28、步驟7、nvme協(xié)議通信模塊控制帶dma單元的pcie模塊向主機(jī)生成msi-x中斷以指示有一個新的完成隊(duì)列條目需要消耗和處理，根據(jù)中斷合并設(shè)置，判斷是否給每個新的完成隊(duì)列條都生成中斷；

29、步驟8、主機(jī)消耗并處理完成隊(duì)列中的新條目，直到遇到一個以前消耗的條目的階段標(biāo)記與當(dāng)前完成隊(duì)列條目的值相反的條目為止；

30、步驟9、主機(jī)寫入完成隊(duì)列頭部門鈴寄存，設(shè)備監(jiān)控到完成隊(duì)列頭部寄存器變化，更新本地完成隊(duì)列頭部緩存，結(jié)束。

31、本發(fā)明通過sram替代nvme硬件控制寄存器，設(shè)備cpu輪詢sram空間內(nèi)容獲取寄存器變化信息并給到不同模塊進(jìn)行處理。設(shè)備cpu輪詢控制器對應(yīng)的寄存器感知變化后，進(jìn)行初始化、重置等操作。設(shè)備cpu輪詢門鈴寄存器感知變化以后，設(shè)備cpu通過控制dma單元獲取主機(jī)存儲命令并進(jìn)行命令解析，交給通信模塊處理模塊處理。

32、本發(fā)明的有益效果：

33、1、本發(fā)明通過使用通用硬件結(jié)合軟件來實(shí)現(xiàn)nvme控制器，無需專門的硬件設(shè)計、驗(yàn)證，降低了開發(fā)成本和時間。通過復(fù)用成熟的通用模塊，減少了硬件的故障點(diǎn)和硬件錯誤的可能性，簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜度。同時軟件實(shí)現(xiàn)的nvme控制器易于修改，維護(hù)更新成本低。

34、2、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了真實(shí)的nvme的協(xié)議，不用再開發(fā)主機(jī)端驅(qū)動程序，大大減少了開發(fā)工作量?；趎vme協(xié)議和nvme-mi，可以作為通用管理模塊，適用于各種設(shè)備進(jìn)行管理，各設(shè)備可以靈活擴(kuò)展各種設(shè)備管理功能，簡化管理軟件的設(shè)計工作量。本發(fā)明的為設(shè)備管理領(lǐng)域帶來重要的技術(shù)革新和應(yīng)用價值。