NVMe Host Controller IP
1 介绍NVMe Host Controller IP可以连接高速存储PCIe SSD，无需CPU和外部存储器，自动加速处理所有的NVMe协议命令，具备独立的数据写入AXI4-Stream/FIFO接口和数据读取AXI4-Stream/FIFO接口，非常适合于超高容量和超高性能的应用。此外，NVMe Host Controller IP支持RAID存储，从而可实现更高存储性能和存储容量。
无需CPU，NVMe 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 Host Controller IP DMA读写的顺序传输长度可以配置，最小是4K-Byte，最大是512K-Byte。顺序传输长度配置为4K-Byte，NVMe Host Controller IP所消耗的BRAM最少，但是可以达到CrystalDiskMark测试软件RND4K Q32T16测试模式下的读写性能。顺序传输长度配置为128K-Byte，NVMe Host Controller IP所消耗的BRAM比较多，可以达到CrystalDiskMark测试软件SEQ128K Q32T1测试模式下的读写性能。
针对多路数据通道访问PCIe SSD，使用NVMe的多队列特性，NVMe 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Ø 支持Ultrascale+，Ultrascale，7 Series FPGA Ø 支持PCIe Gen4，PCIe Gen3，PCIe Gen2 SSD
Ø 无需CPU和外部存储器
Ø 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
Ø 支持对PCIe SSD的NVM Subsystem Reset、Controller Reset和Shutdown
Ø 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
Ø 支持NVMe NVM Command Set：Write、Read、Flush、Dataset Management
Ø 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
Ø 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
Ø 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-Stream-In/Out或DMA-FIFO-In/Out接口实现DMA数据的输入和输出
Ø DMA读写的顺序传输长度可以配置，4K-Byte~512K-Byte；不同的顺序传输长度对应不同的DMA读写性能，同时也消耗不一样的BRAM资源
Ø 针对多通道DMA需求，可以配置4个DMA命令接口和4个DMA-AXI4-Stream-In/Out或DMA-FIFO-In/Out接口
Ø 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
Ø 支持循环仲裁（Round Robin Arbitration）和加权循环仲裁（Weighted Round Robin Arbitration）
Ø 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
Ø 支持的NVMe设备：
n Base Class Code：01h（mass storage），Sub Class Code：08h（Non-volatile），ProgrammingInterface：02h（NVMHCI）
n MPSMIN（Memory Page Size Minimum）：0（4K-byte）
n MDTS（Maximum Data Transfer Size）：大于等于顺序传输长度或0（无限制）
n LBA Unit：512-byte，1024-byte，2048-byte或4096-byte
Ø 一个NVMe Host Controller IP直接连接到PCIe SSD
Ø 易于集成的同步、可综合Verilog设计
Ø 通过完全验证的NVMe Host Controller IP
2 概述NVMe 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读写功能。
NVMe Host Controller IP具备PCIe SSD Management，实现对PCIe SSD的复位/断电/SMART/Error Information/Device Self-test管理功能。
NVMe Host Controller IP具备ASQ/ACQ引擎，实现NVMe Admin Command Set：Identify、SMART、Error Information、Device Self-test、Create/Delete IO Submission/Completion Queue、Set Features – Volatile Write Cache/Arbitration。
NVMe Host Controller IP具备IO（Page） Wr/Rd引擎和SQ1/CQ1引擎，实现对PCIe SSD的IO（Page）读写、Cache Flush和逻辑数据块擦除功能。
NVMe Host Controller IP具备DMA Wr/Rd引擎和SQn/CQn引擎，实现对PCIe SSD的DMA读写功能。
上电后，NVMe HostController IP内置的PCIe DeviceEnumerate & Configuration自动实现对PCIe SSD的PCIe设备枚举和配置；然后内置的NVMe Controller Identify & Initialization自动实现对PCIe SSD的NVMe控制器识别和初始化；最后内置的Queue Setup & Initialization自动实现对PCIe SSD的NVMe队列设置和初始化。至此，NVMe Host Controller IP完成对PCIe SSD的所有配置和初始化工作，可以开始提供对PCIe SSD的读写、擦除、复位、断电、SMART、Device Self-test操作。
图 2 NVMe Host Controller IP结构框图
3 产品规格3.1 性能PCIe配置参数：Max Payload Size=256-byte，Max Read Request Size=512-byte
1. PCIe Gen3 SSD（三星970EVO Plus 1TB），Seq=128KB，1个DMA通道：
a) DMA写入速度可达3300MB/s
b) DMA读取速度可达3500MB/s
2. PCIe Gen3 SSD（三星970EVO Plus 1TB），Seq=4KB，1个DMA通道：
a) DMA写入速度可达2700MB/s
b) DMA读取速度可达2000MB/s
3.2 资源1. KU040
表3.1 PCIe Gen3 SSD，Seq=128K，Queue Depth=4，1-DMA
| | LUTs | FFs | BRAMs | PCIe |
| 总资源 | 17251 | 25429 | 87 | 1 |
| NVMe Host Controller | 12780 | 17477 | 70 | 0 |
| PCIe Bridge | 5473 | 7952 | 17 | 1 |
表3.2 PCIe Gen3 SSD，Seq=128K，Queue Depth=4，2-DMA
| | LUTs | FFs | BRAMs | PCIe |
| 总资源 | 24626 | 33305 | 155 | 1 |
| NVMe Host Controller | 19144 | 25339 | 138 | 0 |
| PCIe Bridge | 5487 | 7966 | 17 | 1 |
表3.3 PCIe Gen3 SSD，Seq=4K，Queue Depth=8，1-DMA
| | LUTs | FFs | BRAMs | PCIe |
| 总资源 | 16600 | 22812 | 31 | 1 |
| NVMe Host Controller | 11144 | 14864 | 14 | 0 |
| PCIe Bridge | 5461 | 7948 | 17 | 1 |
表3.4 PCIe Gen3 SSD，Seq=4K，Queue Depth=8，2-DMA
| | LUTs | FFs | BRAMs | PCIe |
| 总资源 | 21068 | 28135 | 43 | 1 |
| NVMe Host Controller | 15596 | 20163 | 26 | 0 |
| PCIe Bridge | 5475 | 7962 | 17 | 1 |
表3.5 PCIe Gen3 SSD，Seq=4K，Queue Depth=8，4-DMA
| | LUTs | FFs | BRAMs | PCIe |
| 总资源 | 38686 | 38812 | 67 | 1 |
| NVMe Host Controller | 33188 | 30833 | 50 | 0 |
| PCIe Bridge | 5503 | 7979 | 17 | 1 |
2. ZU7EV
表3.6 PCIe Gen3 SSD，Seq=128K，Queue Depth=4，1-DMA
| | LUTs | FFs | BRAMs | URAM | PCIe |
| 总资源 | 23925 | 34570 | 40 | 8 | 1 |
| NVMe Host Controller | 12621 | 17486 | 6 | 8 | 0 |
| PCIe Bridge | 11311 | 17085 | 34 | 0 | 1 |
表3.7 PCIe Gen3 SSD，Seq=128K，Queue Depth=4，2-DMA
| | LUTs | FFs | BRAMs | URAM | PCIe |
| 总资源 | 29958 | 42446 | 44 | 16 | 1 |
| NVMe Host Controller | 18640 | 25352 | 10 | 16 | 0 |
| PCIe Bridge | 11320 | 17094 | 34 | 0 | 1 |
表3.8 PCIe Gen3 SSD，Seq=4K，Queue Depth=16，1-DMA
| | LUTs | FFs | BRAMs | URAM | PCIe |
| 总资源 | 23128 | 33037 | 40 | 2 | 1 |
| NVMe Host Controller | 11811 | 15956 | 6 | 2 | 0 |
| PCIe Bridge | 11319 | 17081 | 34 | 0 | 1 |
表3.9 PCIe Gen3 SSD，Seq=4K，Queue Depth=16，2-DMA
| | LUTs | FFs | BRAMs | URAM | PCIe |
| 总资源 | 28201 | 39453 | 44 | 4 | 1 |
| NVMe Host Controller | 16893 | 22365 | 10 | 4 | 0 |
| PCIe Bridge | 11308 | 17088 | 34 | 0 | 1 |
表3.10 PCIe Gen3 SSD，Seq=4K，Queue Depth=16，4-DMA
| | LUTs | FFs | BRAMs | URAM | PCIe |
| 总资源 | 46962 | 52253 | 52 | 8 | 1 |
| NVMe Host Controller | 35645 | 35160 | 18 | 4 | 0 |
| PCIe Bridge | 11319 | 17093 | 34 | 0 | 1 |
4 交付清单可交付资料：
1. 详细的用户手册
2. 设计文件：源代码或网表
3. 时序约束
4. 测试或Demo工程
5. 技术支持：邮件，电话，现场，培训服务
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