NVMe前世今生-编程知识

NVMe前世今生

1 NVMe的由来
2 NVMe工作原理
3 NVMe优点
4 NVMe适用场景

本文属于《 NVMe协议基础系列教程》之一，欢迎查看其它文章。

1 NVMe的由来

目前机械硬盘大多数使用 SATA (Serial ATA Advanced Host Controller Interface) 接口，接口协议为 AHCI，是 Intel 联合多家公司研发的系统接口标准。AHCI 最大队列深度为 32，即主机最多可以发 32 条命令给 HDD 或 SSD 执行，在 HDD 时代整个性能瓶颈在硬盘端，而不是接口和协议端，所以 AHCI 可以很好的匹配 HDD。

但随着 SSD 硬盘技术的不断演进，使得底层闪存带宽越来越高，介质访问延迟越来越低，系统瓶颈已经由下转移到了上面的接口和协议端。这时你会发现 SATA 接口的 SSD 性能都不会超过 600MB/s，你会认为是底层闪存带宽不够，但其实是 SATA 接口速度限制了带宽。因为 SATA 3.0 最高带宽就是 600MB/s。

此时，AHCI 和 SATA 已经不再满足高性能和低延迟的 SSD 的需求了，如果要充分释放 SSD 性能，那么就要设计新的协议和接口了。
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在这样的背景下，2009 年下半年，Intel 、镁光、三星等厂商，一同制定了专门为 SSD 服务的 NVMe 协议，来取代 AHCI，从此 NVMe 应运而生。
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2019.6.10，发布NVMe 1.4
2021.6.3，发布NVMe 2.0
NVMe官网：https://nvmexpress.org/specifications/

2 NVMe工作原理

NVMe的全称是Non-Volatile Memory Express，即非易失性存储器标准，是在 PCIe 接口之上的协议标准，在协议栈中隶属高层（相当于通讯协议中的应用层）。如下图所示：
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NVMe的工作原理是基于PCle总线的，因此它可以利用PCIe的高速通道进行数据传输。
NVMe通过命令队列的方式来完成I/O操作，每个命令队列都可以包含多个I/O命令，这些命令可以并发执行，从而提高数据传输的效率。
NVMe还采用了一种称为“轮询方式”的通信协议，即它不需要中断来通知主机处理器已经完成了某个任务。相反，主机处理器可以根据需要，不断地轮询设备状态，从而实现更高的吞叶量和更低的延迟。

NVMe 针对 PCIe SSD 特点而设计，相比传统 AHCI 标准，NVMe 标准可以带来多方面的性能提升，可以说 NVMe 就是为了 SSD 而生的。刚才我们提到了 AHCI、SATA、NVMe、PCIe，接下来，我们通过一张层次图来理解他们之间的关系和职责。
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3 NVMe优点

上面我们提到了 NVMe 是一种 Host 与 SSD 之间通信的协议，在整个协议栈中处于应用层的位置。NVMe相当于指挥官发送命令至下层去执行，即PCIe，它所制定的任何命令，都由 PCIe 去完成。虽然 AHCI 也可以和 PCI 搭档，但 AHCI 只有一个命令队列，最多同时只能发 32 条命令，根本驾驭不了 PCIe。而 NVMe 主要是面向 PCIe SSD 开发的一套接口标准，定义了系统接口和命令集，其目的就是让性能更好，延迟更低，功耗更低，所以目前 NVMe 和 PCIe 匹配无疑是最完美的。
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相对于传统的存储技术，NVMe具有以下优点：

更快的数据传输速度：NVMe可以利用PCIe的高速通道进行数据传输，从而实现更高的带宽和更快的响应速度。这对于需要进行大量数据处理的应用程序来说非常重要。
更高的I/O操作效率：NVMe采用了命令队列的方式来完成I/O操作，从而可以并发执行多个命令，提高I/O操作的效率。这对于需要处理大量I/O操作的应用程序来说非常重要。
更少的CPU占用率：NVMe可以通过轮询方式来通信，从而不需要中断来通知主机处理器已经完成了某个任务。这可以减少CPU的占用率，从而提高系统的整体性能。
更高的可靠性：NVMe采用了一些数据保护机制，例如CRC校验、错误纠正码和端到端数据保护等，可以保证数据的完整性和安全性。