高性能PCIe SSD驱动设计优化与并行性能提升

本文档深入探讨了"面向高性能应用的PCIe SSD的驱动设计"，由李云、赖明澈和刘芳三位作者在国防科学技术大学计算机学院完成。PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) SSD是一种利用高速PCI Express接口连接的固态硬盘，其性能在现代计算环境中具有重要意义。传统存储驱动程序设计中，驱动层次较多，这可能导致协议转换开销增大，特别是在处理高速并发请求时，效率可能受限。 为了优化这种状况，研究人员提出了一种创新的2层驱动架构。上层驱动作为中间层，它将自研的PCIe SSD设备注册为操作系统中的磁盘设备类型，这样，应用层可以直接与之交互，减少了驱动程序的复杂性。同时，上层驱动接收来自文件系统的请求后，会把这些请求转发到下层驱动，以实现更高效的通信路径。 下层驱动则是执行核心功能的地方，它采用了一些关键技术来应对高速并发请求的挑战。首先，引入了请求队列，这允许多个请求按照优先级和可用资源顺序进行处理，避免了竞争条件和资源冲突。其次，中断聚合技术被用来合并多个中断事件，从而减少CPU的中断处理开销，提高系统响应速度。最后，请求TAG寄存器技术被用于跟踪和管理不同请求的标识，确保在并发环境下，每个请求都能被正确地处理和响应，即使请求的到达顺序与发出顺序不同（即实现乱序处理）。 通过这样的2层驱动设计，系统能够正确地识别和挂载PCIe SSD，显著提升了系统的并行处理能力，降低了由于并发I/O请求引发的中断频率，从而显著提高了设备的吞吐量。这种设计不仅简化了驱动程序的结构，而且显著提升了高性能应用中PCIe SSD的性能表现，对于追求极致性能的场景如大数据处理、云计算和高性能计算等领域具有实际应用价值。该研究成果有望推动固态存储技术的发展，促进未来计算机系统的整体效能提升。