PCIe SSD I/O栈设计与原型系统研究

近些年来,为了满足各种应用日益增长的I/O性能要求,存储子系统经历了巨大的变革.基于PCIe接口的SSD(solid state drive)凭借其高带宽,低延迟的特点逐渐成为主流的存储设备.包括I/O栈设计在内的针对PCIe SSD的研究,将成为存储领域的研究热点.目前涉及到PCIe SSD具体实现细节的文献相对缺乏,不利于相关研究的开展.归纳了PCIe SSD设计中需要考虑的问题与相关研究,并介绍了一个实际的PCIe SSD原型系统的实现方案.同时,对原型系统中的I/O栈驱动层的设计和优化技术也进行了分析,包括DMA(direct memory access)优化技术和多队列多中断技术.最后,对原型系统进行测试,并与商用PCIe SSD测试结果对比,表明原型系统具有更高的性能,有助于PCIe SSD的相关研究.

面向高性能应用的PCIe SSD的驱动设计

针对自主研制的PCIe SSD设备,设计实现了分层驱动程序。为减少传统设计中的设备驱动层次,降低协议开销,对高速并发的请求实现乱序处理以提高带宽,采用了2层驱动结构:上层驱动将设备注册为系统中的磁盘类设备,向应用层提供接口,并捕捉文件系统的请求转发给下层;下层驱动中采用了请求队列、中断聚合、请求TAG寄存器技术以处理并发乱序请求。通过2层驱动的配合,可正确将PCIe SSD挂载为系统中磁盘,有效提高系统并行度,降低输入输出请求产生的中断次数,提高了设备吞吐量。

VxWorks6.8操作系统下NVMe驱动设计

非易失存储器(NVMe)协议是寄存器级的传输协议,用于实现主控软件与非易失存储设备间的数据传输,其在设计时针对固态硬盘(SSD)特性优化了命令发送和完成路径,通过PCIe链路传输数据,利用PCIe高带宽实现高速数据传输。阐述了VxWorks 6.8实时操作系统下NVMe驱动设计流程,实现了NVMe协议的基本功能,并测试验证其功能和效率;测试结果表明,该系统下NVMe驱动发挥了较高的性能,单向数据传输速率约为700 MB/s(PCIe1.0×4),相较于SATA接口SSD有极大的性能提升,具有广泛的应用价值。

基于高速接口的SSD存储控制电路设计

针对目前固态硬盘主控国产化自主可控的需求,设计了一款采用PCI E接口的数据存储控制电路。该方案与SATA 2.0接口相比,采用了PCI E2.0×2的形式,其读写速度有了明显提高。在主控芯片中对固态硬盘的可靠性采取了众多策略,大大延长了NAND FLASH的使用寿命,安全性方面采用国密SM3、SM4和AES256进行加密,同时使用闪存阵列管理使得多通道可以并行进行,数据销毁上可以选择智能销毁和物理销毁两种方式,在紧急情况下最大限度的保证了用户信息的安全。