NVMe协议详解：PCI头与功能配置

本文档是关于NVM-Express (NVMe) 1.2.1版本的协议介绍，其中详细阐述了如何构建PCI头、PCI功能以及PCIe扩展功能，适用于对NVMe协议感兴趣的读者。 NVMe（Non-Volatile Memory Express）是一种高速接口标准，用于固态硬盘（SSD）等非易失性存储设备，它优化了PCI Express (PCIe)总线的性能，减少了I/O延迟并提高了系统吞吐量。在NVMe规范中，详细规定了控制器和驱动器之间的交互方式。 在描述中提到的PCI头、PCI功能和PCIe扩展功能是NVMe设备在PCI配置空间中的关键部分。例如，0x40、0x50、0xB0和0x70等地址是特定的寄存器，它们在NVMe设备的功能和行为中起到重要作用。 - 0x40寄存器（ID=0x01）通常与设备的配置和状态有关，某些读操作可能会改变其值，这在NVMe协议中是不可预读取的。 - 0x50寄存器（ID=0x05）涉及控制器的电源管理状态，当控制器从D3状态转移到D0时，如果该位为1，控制器不会执行内部重置。 - 0xB0寄存器可能与设备的中断机制和MSI（Message Signaled Interrupts）有关，系统软件会编程这个16位字段，如果启用MSI，其内容会在MSI内存写入事务的数据阶段驱动到低字节。 - 0x70寄存器（ID=0x10）与IO队列的大小限制相关，防止发出超过规定大小的读请求，以避免不定义的行为。 NVMe协议还强调了主机和控制器之间的兼容性和一致性，例如，不允许对两个或更多寄存器的部分进行访问，这可能是为了保持数据完整性和操作的原子性。控制器支持的IO命令集和仲裁机制通过特定的位来表示，如“独立的”和“通过PCIE实现的nvme协议”。 IO队列的创建和管理是NVMe的核心部分。在初始化之前，必须正确设置IO完成队列和IO提交队列的大小，否则可能导致控制器中止操作或返回错误状态。每个IO队列条目的大小和仲裁机制的选择（如轮训调度）会影响系统的性能和响应时间。 在寄存器中，有一个紧急优先级类的加权循环（WRR with Emergency Priority Class），它允许主机软件根据需求设置优先级。此外，控制字段决定控制器是否处理命令，清除该字段会导致控制器重置，移除所有IO队列，并将硬件恢复到空闲状态，但不影响PCI寄存器和管理队列寄存器。 NVMe协议1.2.1版本详细规定了NVMe设备在PCIe环境下的工作方式，包括寄存器配置、队列管理、电源管理、仲裁机制等多个方面，为高性能存储系统的设计提供了基础。