NVMe AXI4 Host Controller IP
1 介绍NVMe AXI4 Host Controller IP可以连接高速存储PCIe SSD，无需CPU，自动加速处理所有的NVMe协议命令，具备独立的数据写入和读取AXI4接口，不但适用高性能、顺序访问的应用，也适用于随机访问的应用，同时结合外部存储器（比如DDR），使得Host端的数据访问管理更加灵活。
无需CPU，NVMe AXI4 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 AXI4 Host Controller IP读写的顺序传输长度是RTL运行时动态可配置的，最小是4K-Byte，最大是512K-Byte。每次读写访问，用户可以指定本次传输的顺序传输长度（4K~512K Byte），不同的顺序传输长度对应不同的DMA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 AXI4 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
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
n 提供1个DMA-AXI4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动态配置，4K-Byte~512K-Byte；不同的顺序传输长度对应不同的DMA读写性能
Ø 针对多通道DMA需求，可以配置4个DMA命令接口，1个DMA-AXI4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 AXI4 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 AXI4 Host Controller IP
2 概述NVMe AXI4 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 AXI4 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 AXI4 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 AXI4 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 AXI4 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 AXI4 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 AXI4 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 AXI4 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990 Pro 4TB），Seq=512KB，1个DMA通道：
a) DMA写入速度3380MB/s
b) DMA读取速度3550MB/s
2. PCIe Gen3 SSD（三星970EVO Plus 1TB），Seq=512KB，1个DMA通道：
a) DMA写入速度3320MB/s
b) DMA读取速度3480MB/s
3. PCIe Gen3 SSD（Intel D5-P5530 3.84TB），Seq=512KB，1个DMA通道：
a) DMA写入速度3350MB/s
b) DMA读取速度3440MB/s
4. PCIe Gen3 SSD（三星980 Pro 1TB），Seq=512KB，1个DMA通道：
a) DMA写入速度2950MB/s
b) DMA读取速度3430MB/s
3.2 资源1. KU040
表3.1 PCIe Gen3 SSD，Seq=512K，Queue Depth=8，1-DMA
| LUTs | FFs | BRAMs | PCIe |
| 总资源 | 15190 | 21095 | 21 | 1 |
| NVMe Host Controller | 9688 | 13049 | 4 | 0 |
| PCIe Bridge | 5502 | 8046 | 17 | 1 |
表3.2 PCIe Gen3 SSD，Seq=512K，Queue Depth=8，2-DMA
| LUTs | FFs | BRAMs | PCIe |
| 总资源 | 18100 | 25003 | 23 | 1 |
| NVMe Host Controller | 12590 | 16951 | 6 | 0 |
| PCIe Bridge | 5507 | 8052 | 17 | 1 |
表3.3 PCIe Gen3 SSD，Seq=512K，Queue Depth=8，4-DMA
| LUTs | FFs | BRAMs | PCIe |
| 总资源 | 24455 | 32717 | 27 | 1 |
| NVMe Host Controller | 18960 | 24647 | 10 | 0 |
| PCIe Bridge | 5498 | 8070 | 17 | 1 |
2. ZU7EV
表3.4 PCIe Gen3 SSD，Seq=512K，Queue Depth=8，1-DMA
| LUTs | FFs | BRAMs | PCIe |
| 总资源 | 21149 | 30268 | 38 | 1 |
| NVMe Host Controller | 9776 | 13132 | 4 | 0 |
| PCIe Bridge | 11375 | 17137 | 34 | 1 |
表3.5 PCIe Gen3 SSD，Seq=512K，Queue Depth=8，2-DMA
| LUTs | FFs | BRAMs | PCIe |
| 总资源 | 24050 | 34196 | 40 | 1 |
| NVMe Host Controller | 12672 | 17056 | 6 | 0 |
| PCIe Bridge | 11379 | 17140 | 34 | 1 |
表3.6 PCIe Gen3 SSD，Seq=512K，Queue Depth=8，4-DMA
| LUTs | FFs | BRAMs | PCIe |
| 总资源 | 30637 | 41887 | 44 | 1 |
| NVMe Host Controller | 19225 | 24729 | 10 | 0 |
| PCIe Bridge | 11414 | 17158 | 34 | 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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