记录此刻：历时两月，初步实现基于FPGA的NVMe SSD固态硬盘存储控制器设计！

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已于 2025-05-07 17:28:05 修改

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于 2025-02-23 14:49:30 首次发布

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FPGA NVME SSD 存储控制器方案专栏收录该内容

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背景

为满足某项目需求，在2024年12月中下旬开始基于FPGA的NVMe SSD控制器研发项目。项目核心目标为：通过PCIe 3.0 x4接口实现单盘3000MB/s的持续读取速率。

实现过程

调研

花了半个月的时间查阅了一些使用FPGA实现NVME SSD控制器的论文、博客，确认了实现思路和路线，主要明确以下几点：
1、架构角色转换：区别于传统FPGA作为Endpoint设备（如数据采集卡），本项目需将FPGA配置为Root Complex（RC），主动管理作为Endpoint（EP）的NVMe SSD设备
2、协议栈解析：建立NVMe协议与PCIe协议的层级关系认知，确认需基于Xilinx AXI PCIe IP核构建Root Port架构
3、PCIe配置空间：重点研究BAR寄存器组的地址映射机制，在实现过程中，FPGA需要对SSD的PCIE 配置空间进行配置。
4、学习NVMe协议队列机制实现：参考《蛋蛋读NVMe》技术博客，构建基于门铃寄存器的SQ/CQ队列管理系统。NVMe寄存器组：深入学习CAP（控制器能力）、CC（控制器配置）、CSTS（控制器状态）等核心寄存器

硬件选择

自己想了两个方案，第一种是通过PCIE金手指转M.2接口。类似于下图这种（该图来源于一篇硕士论文）
在这里插入图片描述
我当时买的那个转接板不知道哪里有问题，PCIE链路建立不起来。

第二种方案是使用FMC转M.2接口，此方案可以正常建立起PCIE链路连接。
在这里插入图片描述

FPGA逻辑设计

由于并没有相关的设计参考，所以不得不从零开始，在AXI PCIE IP官方给的example design的基础上进行“魔改”。

1、学习AXI PCIE IP使用，知道IP核的接口是干嘛用的，主要是以下接口：S_AXI、S_AXI_CTRL、M_AXI。
在这里插入图片描述
2、学习IP核的配置，AXI BAR选项卡比较重要，涉及到AXI地址到PCIE地址的转换。

3、配置SSD PCIE 配置空间的相关寄存器，比如BAR0、BAR1寄存器、Command寄存器等。设置IP核使能。
4、读取SSD中和NVME协议寄存器，寄存器的偏移量是相对于PCIE BAR寄存器的地址偏移的。比较关键的是CAP寄存器。
5、进行NVME SSD的初始化，设置管理和完成队列的深度、基地址等，并设置CC.EN=1，等待CSTS.RDY为1。
6、发送Admin命令，进行SSD的识别、配置I/O队列数，以及对应的I/O完成队列和提交队列的ID、基地址、深度等。命令的实现方式和流程按照协议要求来就行了，基于状态机进行设计。
7、发送I/O命令，进行数据读写，要确认好SSD一次传输的最大数据量是多少，以及一个扇区的大小。
在这里插入图片描述

总结

碎碎念：说真的，刚开始做的时候，我是没有想到自己能做出来的，而且这个控制器方案也没有太多可借鉴的开源的设计，该方案都是被拿来售卖的。没想到自己能用两个月的时间给初步实现出来。不过，目前这个方案还不够完善，后续还需要进行优化调整，使其更加易用。比如，通过几个简单的控制信号，就能完成大批量的数据读取，这方面我打算参考商业 IP 的接口设计思路。

后面有时间可以用一个专栏讲解一下实现思路，但是应该不会免费开源，因为该项目完全可以作为一个高端项目供大家深入学习研究，我并不希望它因为过度传播而失去其独特性，变得过于泛滥（烂大街）。