基于Xilinx XC7Z035/45-2FFG676I PL端NVMe Host IP例程设计和使用

一、设计目的

基于广州星嵌电子ZYNQ+DSP评估板XQ6657Z35/45-EVM的Zynq7035/45 PL端实现标准NVMe 1.3协议的Host端，即纯逻辑实现NVMe Host IP。

用户可以根据自身需求，定制NVMe Host FPGA IP，还可以在此基础上定制FPGA纯逻辑来实现文件系统ExFAT。

NVMe Host FPGA IP核使用VHDL硬件描述语言的纯逻辑方式来实现，NVMe物理层使用Xilinx 7系列 PCIe核，无需CPU参与。

目前已在广州星嵌电子ZYNQ+DSP平台上实现并经充分测试验证：

如果使用PCIe 2.0 X2接口，连续读速率：685 MB/s，连续写速率：531 MB/s；

如果使用PCIe2.0 X4接口，连续读速率1277 MB/s，连续写速率1015 MB/s，

日后升级性能还可以提升。

二、NVMe Host FPGA IP核简介

NVMe Host FPGA IP访问接口简单，用户可将此IP当作双端口RAM来使用，只是相对普通双端口RAM而言多增加了一些读、写命令握手接口信号而已。当然，用户还可将IP定制为自身所需要的接口形式。

NVMe Host FPGA IP对外接口图如下：

名词和概念解释：

SLBA（Starting LBA）：逻辑块基地址，数据在SSD固态硬盘上的起始地址。

NLB（Number of Logical Blocks）：逻辑块数量，指定数据传输大小，需要指出的是这是一个0基数值，即以0为初始值，所以最终传的是(NLB+1)个逻辑块。

NVMe Host FPGA IP支持最大队列数64对，最大队列深度16383，用户可以根据需要进行定制。NVMe Host FPGA IP核源码实现了参数化，可根据用户功能及性能（比如队列数与队列深度）对IP参数进行修改设置。

NVMe Host FPGA IP使用的FPGA 软件开发平台为Vivado 2018.3，用户可以定制为自身所需的FPGA软件开发平台上。

三、资源消耗

广州星嵌电子ZYNQ+DSP平台上使用ZYNQ 7035/45 PL端作为FPGA开发平台，ZYNQ芯片型号为XC7Z035FFG676-2。NVMe Host FPGA IP在XC7Z035FFG676-2芯片上的资源消耗报表如下：

（注：此为第一版 IP资源消耗图表，还可继续优化）

四、实验平台与测试结果

4.1、NVMe Host FPGA IP测试截图和说明

借助NVMe Host FPGA IP，往NVMe SSD固态硬盘上写入测试数据（例程使用的是累加数），然后读出，并在FPGA上使用逻辑进行比对，并给出比对结果，以验证NVMe硬盘读写数据是否一致。

1、单次写8个扇区

注：NLB = 7，即逻辑块数量8。

数据波形放大查看，可以看到写数据与写地址相同，写数据为累加数：

单次写8个扇区对应的PCIe底层时序波形如下图所示：

2、单次读8个扇区

对上面数据波形放大，可发现读数据与读地址相同，读数据为累加数：

单次读8个扇区对应的PCIe底层时序波形如下图所示：

3、扇区读写比对测试

比对结果如下图高亮信号所示：

Equal_Fail：SSD硬盘读写过程中，只要发现一个数据读写比对不一致，此信号就拉高并一直保持高电平，无论以后数据是否一致，除非复位。

Equal_Valid：读写数据比对结果有效标识，1表示读写对比结果有效。

Equal_Flag：SSD硬盘读写数据一致标识，1表示读写数据一致。

NVMe SSD硬盘读写测试完后，从测试平台上取下NVMe SSD固态硬盘，并将SSD硬盘连接至PC电脑，使用WinHex软件工具分析NVMe SSD固态硬盘的写入数据。

扇区1写入数据：

扇区2写入数据：

扇区3写入数据：

扇区4写入数据：

扇区5写入数据：

扇区6写入数据：

扇区7写入数据：

扇区8写入数据:

4、指定扇区某位置写入指定值

1、指定往SSD硬盘的第1扇区偏移地址127中写入数据0xAA55_ABCD，FPGA VIO设置如下图所示：

2、指定从SSD硬盘的第1扇区偏移地址127中读出数据，读数据为0xAA55_ABCD，与写入数据一致，读时序和读写比对结果如下图所示：

3、从测试平台上取下 NVMe SSD固态硬盘，并将硬盘连接至PC电脑，使用WinHex软件工具分析刚刚写入硬盘的测试数据，如下图所示，也可发现确实已经将0xAA55_ABCD用户数据写入了硬盘：

4.2、NVMe协议相关寄存器读取

1、NVMe协议码：0x010802，对应的PCIe底层读时序波形如下图所示：

2、NVMe协议版本1.3：0x00010300，对应的PCIe底层读时序波形如下图所示：

4.3、NVMe Host IP核支持服务

性能指标实测