一种基于FPGA的嵌入式NVMe固态硬盘存储系统.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115952116A(43)申请公布日2023.04.11(21)申请号202211698928.2(22)申请日2022.12.28(71)申请人西安旷世航空光电科技有限公司地址710076陕西省西安市高新区天谷八路软件新城二期A1栋108-01室(72)发明人杨坤王耀辉李敏敏(74)专利代理机构河南省古格知识产权代理事务所(普通合伙)41197专利代理师李锋(51)Int.Cl.G06F13/16(2006.01)G06F13/28(2006.01)G06F13/42(2006.01)权利要求书2页说明书7页附图4页(54)发明名称一种基于FPGA的嵌入式NVMe固态硬盘存储系统(57)摘要本发明涉及固态硬盘存储系统技术领域，公开了一种基于FPGA的嵌入式NVMe固态硬盘存储系统，包括三种系统组成结构，第一种系统组成结构由单片FPGA控制单片NVMeSSD，第二种系统组成结构由单片FPGA控制多片NVMeSSD，第三种系统组成结构由多个存储系统通过板间同步控制总线连接，并且基于FPGA的嵌入式NVMe固态硬盘存储系统的工作流程：包括以下步骤：数据写入控制、同步总线模块处理、NVMe主机控制器进行处理、数据读出控制四个步骤，该基于FPGA的嵌入式NVMe固态硬盘存储系统，通过使用单颗FPGA芯片，节省了电路板的面积，有利于存储系统的小型化，通过设计三种不同的存储系统架构，能适应多种不同要求的应用，通过设计了NVMe主机控制器的工作流程，实现了NVMeSSD的管理和控制。CN115952116ACN115952116A权利要求书1/2页1.一种基于FPGA的嵌入式NVMe固态硬盘存储系统，包括三种系统组成结构，其特征在于：第一种系统组成结构由单片FPGA控制单片NVMeSSD，第二种系统组成结构由单片FPGA控制多片NVMeSSD，第三种系统组成结构由多个存储系统通过板间同步控制总线连接。现场可编辑逻辑闸阵列(FPGA)由数据写入控制、同步总线模块、数据读出控制、NVMe主机控制器组成，FPGA与NVMeSSD之间通过PCIe总线进行连接。2.一种基于FPGA的嵌入式NVMe固态硬盘存储系统的工作流程：其特征在于：包括以下步骤：1)数据写入控制：写入数据步骤如下：第一步，用户发送帧起始脉冲信号，向系统请求写入新的数据帧；第二步，用户查询系统缓冲区状态，如果缓冲区有足够的空间存储当前子帧，则转入第二步，否则等待；第三步，用户同步发送当前子帧的数据有效指示和数据；第四步，如果一帧数据发送完毕，则转入第五步，否则转入第二步；第五步，用户向系统发送数据帧结束信号；第六步，系统将当前帧的文件信息，存储到存储列表区。2)同步总线模块处理：将数据写入控制经过多个存储板间的同步和控制操作然后传导到NVMe主机控制器上，并且PCIe总线接口用于连接NVMeSSD，此接口为标准接口。3)NVMe主机控制器进行处理：NVMe主机控制器的主要工作流程分为两部分，系统初始化和用户命令操作；初始化流程为第一步,系统上电后，NVMe主机控制器首先对PCIe的配置空间进行配置；第二步，NVMe主机控制器对内存空间的NVMe寄存器进行配置；用户命令操作流程为NVMe主机控制器响应用户发送的三种命令：识别命令、写入数据和读出数据命令4)数据读出控制：数据读出步骤如下：第一步，系统发送帧起始脉冲信号，向用户请求读出数据帧；第二步，系统查询用户缓冲区状态，如果缓冲区有足够的空间存储当前子帧，则转入第二步，否则等待；第三步，系统同步发送当前子帧的数据有效指示和数据；第四步，如果一帧数据发送完毕，则转入第五步，否则转入第二步；第五步，系统向用户发送数据帧结束信号。3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的嵌入式NVMe固态硬盘存储系统，其特征在于：所述步骤3中的用户命令操作的识别命令为NVMe主机控制器收到用户发送的“识别命令”后，首先向NVMeSSD发送IDENTIFY命令；当NVMeSSD收到IDENTIFY命令后，则将描述SSD特性信息的数据发送给主机控制器；最后主机控制器根据返回的信息，向用户发送所连接SSD的容量信息、健康信息等。4.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的嵌入式NVMe固态硬盘存储系统，其特征在于：所述步骤3中的用户命令操作的写入数据命令为NVMe主机控制器收到用户发送的“写入数据”命令后，等待用户写入待写入的数据；当用户写入的数据足够一次写操作后，主机控制器向SSD发送写入数据命令；当SSD收到WRITE命令后，主动从NVMe主机内存空间读取待写入的数据，将其写入到SSD存储单元中，完成写入操作后，向主机发送命令执行状态；当主控制器收到SSD发送的命令状态后，根据状态的返回值确定