基于FPGA实现的高带宽NVMeSSD读写系统与方法技术方案

本发明专利技术提供了一种FPGA实现的高带宽NVMe SSD读写系统与方法，能够大幅提高读写和存储性能。本发明专利技术利用FPGA内嵌PCIE硬核，以RTL逻辑实现NVMe主机控制器，并搭建整体系统实现对数据流的高速读写以及SSD管理控制。SSD落盘操作全部由逻辑实现，没有增加CPU芯片，满足高带宽存储情况下，降低了硬件成本及PCB尺寸；快速接口数据直接由逻辑写入SSD，没有经过CPU中转，减小了软件开销，提升了速度，不加载文件系统的情况下读写SSD速度可达到2.8GBps，加载文件系统的情况下读写SSD速度可达到2.5GBps。系统的情况下读写SSD速度可达到2.5GBps。系统的情况下读写SSD速度可达到2.5GBps。

【技术实现步骤摘要】
基于FPGA实现的高带宽NVMe SSD读写系统与方法


[0001]本专利技术涉及数据存储
，具体涉及一种基于FPGA实现的高带宽NVMe SSD读写系统与方法。

技术介绍

[0002]FPGA是一种可以重构电路的芯片，是一种硬件可重构的体系结构。它的英文全称是Field Programmable Gate Array，中文名是现场可编程门阵列。通过编程，用户可以随时改变它的应用场景，它可以模拟CPU、GPU等硬件的各种并行运算。通过与目标硬件的高速接口互联，FPGA可以完成目标硬件运行效率比较低的部分，从而在系统层面实现加速。
[0003]NVMExpress（NVMe），或称非易失性内存主机控制器接口规范（英语：Non
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VolatileMemoryHostControllerInterfaceSpecification，缩写：NVMHCIS），是一个逻辑设备接口规范。它是与AHCI类似的、基于设备逻辑接口的总线传输协议规范（相当于通讯协议中的应用层），用于访问通过PCI Express（PCIe）总线附加的非易失性存储器介质（例如采用闪存的固态硬盘驱动器），虽然理论上不一定要求PCIe总线协议。
[0004]固态硬盘（Solid State Disk/Solid State Drive，简称SSD，又称固态驱动器），是指利用固态电子存储芯片阵列制成的硬盘，使用电子存储芯片作为介质，通常由控制芯片和闪存芯片（也称FLASH芯片）组成。
[0005]传统方案SATA 3.0 总线接口最大吞吐量仅 600MBps 的带宽限制已难以满足如今日益提高的性能要求，使其成为限制 SSD 性能的关键因素；若要达到高带宽，需多个总线接口组成RAID，同时带来了高成本、高功耗及大面积等缺陷。所述RAID是指多片独立的SSD组成的SSD阵列。
[0006]目前FPGA内比较主流的总线为AXI总线，FPGA芯片厂商提供了大量的AXI总线相关的IP核。因此本方案的难点是将PCIe总线转换为AXI总线，PCIe事务层协议较复杂，而FPGA的特点决定其不擅长实现调度、管理、排序类的逻辑，因此FPGA实现NVMe控制器有一定的难度，不能实现高带宽读写和存储。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术提供了一种FPGA实现的高带宽NVMe SSD读写系统与方法，能够大幅提高读写和存储性能。
[0008]为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：一种基于FPGA实现的高带宽NVMe SSD读写系统，包括FPGA和存储卡；所述FPGA分为PS端和PL端，其中PS端专注于数据记录业务流程控制和文件系统实现，PL端专注于Aurora大数据的采集、缓冲和处理；所述存储卡包括一个PCIe桥和多个SSD；所述系统的对外接口包括慢速接口和快速接口，所述慢速接口为SGMII接口，所述快速接口为GTX接口；文件由FPGA的PS端管理，采用裁剪后的ext4文件系统，所有还未关闭的文件都统一由一个单向链表管理；PS端为每一个快速接口和慢速接口都分别开一个接收线程，再为
快速接口和慢速接口分别开一个记录线程，两个记录线程加锁互斥；针对快速接口，FPGA的PS端接收线程采集每帧的中断信息，并将中断信息通过消息队列发送给记录线程，记录线程接收中断信息并解析，通过文件系统通知PL端将该帧数据写到SSD的指定位置；针对慢速接口，FPGA的PS端接收线程采集每帧的数据，并将数据地址通过消息队列发送给记录线程，记录线程解析数据帧头信息，通过文件系统通知PL端将该帧数据写到SSD的指定位置。
[0009]其中，待写入数据来源于慢速接口和快速接口，读到的数据也通过慢速接口和快速接口导出去，执行慢速接口数据记录、慢速接口数据卸载、快速接口数据记录以及快速接口数据卸载，具体如下：慢速接口数据记录：FPGA的PS端从慢速接口收到数据，通过prp列表的方式将数据写入DDR中，FPGA的PL端再将数据从DDR写到SSD中。所述prp是自定义的数据内存信息，包含数据内存地址和长度；慢速接口数据卸载：FPGA的PL端将数据从SSD读到DDR中, 通过prp列表的方式将数据传到FPGA的PS端，PS端再将数据发往慢速接口；快速接口数据记录：FPGA的PL端从快速接口收到数据，直接写入DDR中，满足中断要求后，传递中断信息给FPGA的PS端，在PS端的控制下，PL端将数据从DDR写到SSD中；快速接口数据卸载：在FPGA的PS端的控制下，PL端将数据从SSD读到DDR中，再从DDR读取数据发往快速接口。
[0010]其中，所述SSD为NVME固态硬盘。
[0011]其中，FPGA的PCIe2.0 x8接口挂接PCIe桥，PCIe桥向下挂接两片SSD，数据记录或卸载时可同时读写两片SSD。
[0012]其中，中断要求连续写入DDR 8MB的数据或者写入DDR一条记录结束，所述一帧数据最大长度为8MB，一条记录可分为多个帧，中断信息包含：基地址、大小和附加信息。
[0013]其中，所述中断信息缓存于FPGA的PL端的FIFO中，缓存次数表示为FIFO现有数据量。
[0014]一种FPGA实现的高带宽NVMe SSD读写方法，，采用本专利技术所述系统实现，包括如下步骤：步骤1，FPGA的PS端数据处理，具体地，FPGA的PS端使用Linux操作系统，加载裁剪后的ext4文件系统，其中ext4文件系统是开源的，可根据实际使用环境作相应裁剪修改；FPGA的PS端按照预定的文件名创建文件，并监控文件大小，当文件大小超用户限制，则关闭该文件，再新建文件；其中创建链表同时管理多个文件，当需要记录SGMII通道数据时，FPGA的PS端从SGMII接口接收数据，且从数据里面提取帧头信息以生成文件名，创建文件将数据写入SSD，写入流程具体为：PS向PL写入prp链表，PL根据prp信息将数据写入DDR中，再将数据从DDR搬到SSD，其中所述prp是自定义的数据内存信息，包含数据内存地址和长度；当需要卸载数据到SGMII通道时，FPGA的PS端可从文件系统请求数据，并通过SGMII接口发送出去，读出流程具体为：PS向PL写入prp链表，PL将数据从SSD搬移到DDR，再根据prp信息将数据发送给PS；当需要记录GTX通道数据时，FPGA的PS端获取到帧头信息后即创建文件，并通过文件系统控制PL端将数据写入SSD；当需要卸载数据到GTX通道时, FPGA的PS端传递指定地址和长度给PL端，PL端从SSD读取数据，并通过GTX接口发送出去；步骤2，FPGA的PL端数据处理，具体地，FPGA的PL端包括控制模块和接口适配模块；
控制模块完成数据记录、数据卸载的控制；接口适配模块包适Aurora控制单元、PCIe控制单元、NVMe Host单元和DDR3控制单元，完成各种接口操作；其中Aurora控制单元负责收发GTX接口数据，PCIe控制单元负责读写SSD数据，NVMe Host单元负责调度PCIe控制单元，DDR3控制单元负责缓存读本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA实现的高带宽NVMeSSD读写系统，其特征在于，包括FPGA和存储卡；所述FPGA分为PS端和PL端，其中PS端专注于数据记录业务流程控制和文件系统实现，PL端专注于Aurora大数据的采集、缓冲和处理；所述存储卡包括一个PCIe桥和多个SSD；所述系统的对外接口包括慢速接口和快速接口，所述慢速接口为SGMII接口，所述快速接口为GTX接口；文件由FPGA的PS端管理，采用裁剪后的ext4文件系统，所有还未关闭的文件都统一由一个单向链表管理；PS端为每一个快速接口和慢速接口都分别开一个接收线程，再为快速接口和慢速接口分别开一个记录线程，两个记录线程加锁互斥；针对快速接口，FPGA的PS端接收线程采集每帧的中断信息，并将中断信息通过消息队列发送给记录线程，记录线程接收中断信息并解析，通过文件系统通知PL端将该帧数据写到SSD的指定位置；针对慢速接口，FPGA的PS端接收线程采集每帧的数据，并将数据地址通过消息队列发送给记录线程，记录线程解析数据帧头信息，通过文件系统通知PL端将该帧数据写到SSD的指定位置。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，待写入数据来源于慢速接口和快速接口，读到的数据也通过慢速接口和快速接口导出去，执行慢速接口数据记录、慢速接口数据卸载、快速接口数据记录以及快速接口数据卸载，具体如下：慢速接口数据记录：FPGA的PS端从慢速接口收到数据，通过prp列表的方式将数据写入DDR中，FPGA的PL端再将数据从DDR写到SSD中；所述prp是自定义的数据内存信息，包含数据内存地址和长度；慢速接口数据卸载：FPGA的PL端将数据从SSD读到DDR中, 通过prp列表的方式将数据传到FPGA的PS端，PS端再将数据发往慢速接口；快速接口数据记录：FPGA的PL端从快速接口收到数据，直接写入DDR中，满足中断要求后，传递中断信息给FPGA的PS端，在PS端的控制下，PL端将数据从DDR写到SSD中；快速接口数据卸载：在FPGA的PS端的控制下，PL端将数据从SSD读到DDR中，再从DDR读取数据发往快速接口。3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述SSD为NVME固态硬盘。4.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，FPGA的PCIe2.0 x8接口挂接PCIe桥，PCIe桥向下挂接两片SSD，数据记录或卸载时可同时读写两片SSD。5.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，中断要求连续写入DDR 8MB的数据或者写入DDR一条记录结束，所述一帧数据最大长度为8MB，一条记录可分为多个帧，中断信息包含：基地址、大小和附加信息。6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述中断信息缓存于FPGA的PL端的FIFO中，缓存次数表示为FIFO现有数据量。7.一种FPGA实现的高带宽NVMe SSD读写方法，其特征在于，采用如权利要求1
‑
6所述系统实现，包括如下步骤：步骤1，FPGA的PS端数据处理，具体地，FPGA的PS端使用Linux操作系统，加载裁剪后的ext4文件系统，其中ext4文件系统是开源的，可根据实际使用环境作相应裁剪修改；FPGA的PS端按照预定的文件名创建文件，并监控文件大小，当文件大小超用户限制，则关闭该文件，再新建文件；其...

【专利技术属性】
技术研发人员：余强，李青松，金山，丁可，
申请(专利权)人：中勍科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：