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基于TMS320C6657+ZYNQ7035/45平臺(tái)-PL端 NVMe 的 exFAT 文件系統(tǒng) FPGA IP 核

已有 756 次閱讀2022-11-2 15:29 |個(gè)人分類:DSP+ARM+FPGA| NVMe SSD, NVMe Host IP, TMS320C6657, FPGA, ZYNQ7035

一、設(shè)計(jì)目的

基于廣州星嵌電子科技有限公司TMS320C6657+ZYNQ7035/45評(píng)估板的PL端實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)NVMe 1.3協(xié)議的Host端，即純邏輯實(shí)現(xiàn)NVMe Host IP。

用戶可以根據(jù)自身需求，定制NVMe Host FPGA IP，還可以在此基礎(chǔ)上定制FPGA純邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)ExFAT。

NVMe Host FPGA IP核使用VHDL硬件描述語(yǔ)言的純邏輯方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，NVMe物理層使用Xilinx 7系列 PCIe核，無(wú)需CPU參與。

目前已在廣州星嵌電子科技有限公司DSP+FPGA+ARM XQ6657Z35-EVM評(píng)估板上實(shí)現(xiàn)并經(jīng)充分測(cè)試驗(yàn)證：

如果使用PCIe 2.0 X2接口，連續(xù)讀速率：685 MB/s，連續(xù)寫速率：531 MB/s；

如果使用PCIe2.0 X4接口，連續(xù)讀速率1277 MB/s，連續(xù)寫速率1015 MB/s，

日后升級(jí)性能還可以提升。

二、NVMe Host FPGA IP核簡(jiǎn)介

NVMe Host FPGA IP訪問(wèn)接口簡(jiǎn)單，用戶可將此IP當(dāng)作雙端口RAM來(lái)使用，只是相對(duì)普通雙端口RAM而言多增加了一些讀、寫命令握手接口信號(hào)而已。當(dāng)然，用戶還可將IP定制為自身所需要的接口形式。

NVMe Host FPGA IP對(duì)外接口圖如下：

名詞和概念解釋：

SLBA（Starting LBA）：邏輯塊基地址，數(shù)據(jù)在SSD固態(tài)硬盤上的起始地址。

NLB（Number of Logical Blocks）：邏輯塊數(shù)量，指定數(shù)據(jù)傳輸大小，需要指出的是這是一個(gè)0基數(shù)值，即以0為初始值，所以最終傳的是(NLB+1)個(gè)邏輯塊。

NVMe Host FPGA IP支持最大隊(duì)列數(shù)64對(duì)，最大隊(duì)列深度16383，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行定制。NVMe Host FPGA IP核源碼實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化，可根據(jù)用戶功能及性能（比如隊(duì)列數(shù)與隊(duì)列深度）對(duì)IP參數(shù)進(jìn)行修改設(shè)置。

NVMe Host FPGA IP使用的FPGA 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Vivado 2018.3，用戶可以定制為自身所需的FPGA軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)上。

三、資源消耗

NVMe Host FPGA IP在XC7Z035FFG676-2芯片上的資源消耗報(bào)表如下（僅供參考，基于XQ6657Z35-EVM平臺(tái)測(cè)試的數(shù)據(jù)）：

四、測(cè)試平臺(tái)與結(jié)果

4.1、NVMe Host FPGA IP測(cè)試截圖和說(shuō)明

借助NVMe Host FPGA IP，往NVMe SSD固態(tài)硬盤上寫入測(cè)試數(shù)據(jù)（例程使用的是累加數(shù)），然后讀出，并在FPGA上使用邏輯進(jìn)行比對(duì)，并給出比對(duì)結(jié)果，以驗(yàn)證NVMe硬盤讀寫數(shù)據(jù)是否一致。

1、單次寫8個(gè)扇區(qū)

注：NLB = 7，即邏輯塊數(shù)量8。

數(shù)據(jù)波形放大查看，可以看到寫數(shù)據(jù)與寫地址相同，寫數(shù)據(jù)為累加

單次寫8個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的PCIe底層時(shí)序波形如下圖所示：

2、單次讀8個(gè)扇區(qū)

對(duì)上面數(shù)據(jù)波形放大，可發(fā)現(xiàn)讀數(shù)據(jù)與讀地址相同，讀數(shù)據(jù)為累加數(shù)：

單次讀8個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的PCIe底層時(shí)序波形如下圖所示：

3、扇區(qū)讀寫比對(duì)測(cè)試

比對(duì)結(jié)果如下圖高亮信號(hào)所示：

Equal_Fail：SSD硬盤讀寫過(guò)程中，只要發(fā)現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)讀寫比對(duì)不一致，此信號(hào)就拉高并一直保持高電平，無(wú)論以后數(shù)據(jù)是否一致，除非復(fù)位。

Equal_Valid：讀寫數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果有效標(biāo)識(shí)，1表示讀寫對(duì)比結(jié)果有效。

Equal_Flag：SSD硬盤讀寫數(shù)據(jù)一致標(biāo)識(shí)，1表示讀寫數(shù)據(jù)一致。

NVMe SSD硬盤讀寫測(cè)試完后，從測(cè)試平臺(tái)上取下NVMe SSD固態(tài)

硬盤，并將SSD硬盤連接至PC電腦，使用WinHex軟件工具分析NVMe SSD固態(tài)硬盤的寫入數(shù)據(jù)。

3.4、NVMe Host IP核支持服務(wù)

服務(wù)方式	配套清單
源碼	源碼、使用說(shuō)明
網(wǎng)表不綁定（適用一個(gè)系列）	網(wǎng)表（針對(duì)特定FPGA型號(hào)，比如XC7Z035FFG676）、使用說(shuō)明
網(wǎng)表綁定	網(wǎng)表（網(wǎng)表綁定，綁定FPGA DNA號(hào)，也就是綁定FPGA芯片）、使用說(shuō)明