NVMe非易失性存储器访问和传输协议；以及PICE总线简单理解

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目录

NVMe（Non-Volatile Memory Express）非易失性存储器访问和传输协议

一、NVMe的定义

二、NVMe的特点

三、NVMe的应用场景

四、举例说明

非易失性存储器访问和传输协议的字面意思

一、非易失性存储器（Non-Volatile Memory，NVM）

非易失性存储器是指那些即使电源关闭，存储的数据也不会丢失的存储器。这类存储器在断电后仍能保留存储的信息，因此被广泛应用于需要长期保存数据的场合。常见的非易失性存储器包括NAND/NOR闪存（Flash Memory）、掩模只读存储器（Mask ROM）、可编程只读存储器（PROM）、可擦写可编程只读存储器（EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）以及新型存储器如磁性存储器（MRAM）、阻变存储器（RRAM）、相变存储器（PRAM）、铁电存储器（FeRAM）等。

二、访问和传输协议

访问和传输协议是指用于指导数据如何在计算机组件和系统之间进行传输和访问的规则和约定。这些协议定义了数据的格式、传输方式、错误处理机制等，以确保数据能够准确、高效地传输和访问。

在非易失性存储器的上下文中，访问和传输协议特指那些用于访问和传输非易失性存储器中数据的规则和约定。这些协议通常与特定的硬件接口和传输技术相关联，如PCI Express（PCIe）总线等。

三、非易失性存储器访问和传输协议的具体实例：NVMe

NVMe（Non-Volatile Memory Express）是一种专门用于访问通过PCI Express（PCIe）总线附加的非易失性存储器的协议规范。该协议规范由包括Intel、三星在内的多家国际存储品牌和机构共同制定，旨在提供低延时、高并发性、低功耗的存储访问性能。

NVMe协议通过定义一组精简的属性和命令集，实现了对非易失性存储器的高效访问和传输。这些属性和命令集涵盖了控制器配置、命名空间管理、I/O命令执行等多个方面，以确保数据能够准确、快速地传输到指定的存储位置。

此外，NVMe协议还支持多种传输模型，包括基于内存的传输模型和基于消息的传输模型，以适应不同的应用场景和需求。这些传输模型提供了灵活的数据传输方式，使得非易失性存储器能够更好地与其他计算机组件和系统协同工作。

非易失性存储器访问和传输协议的字面意思是指用于指导数据如何在非易失性存储器和其他计算机组件或系统之间进行传输和访问的规则和约定。这些协议对于确保数据的准确、高效传输和访问至关重要，而NVMe则是其中一个具体而重要的实例。

PCI-Express（PCIe）总线

PCI-Express(peripheral component interconnect express)是一种高速串行计算机扩展总线标准，它原来的名称为“3GIO”，是由英特尔在2001年提出的，旨在替代旧的PCI，PCI-X和AGP总线标准。

PCIe属于高速串行点对点双通道高带宽传输，所连接的设备分配独享通道带宽，不共享总线带宽，主要支持主动电源管理，错误报告，端对端的可靠性传输，热插拔以及服务质量(QOS)等功能。

是一种高速、串行、全双工的计算机扩展总线标准，主要用于扩充计算机系统总线数据吞吐量以及提高设备通信速度。以下是对PCIe总线的简单理解：

一、基本特性

1. 高速传输：PCIe总线采用高速差分总线技术，数据传输速率远高于传统的并行总线，能够满足现代计算机系统对高带宽、低延迟数据传输的需求。
2. 串行通信：与并行总线不同，PCIe总线采用串行通信方式，减少了线缆数量和复杂性，提高了系统的可靠性和稳定性。
3. 全双工通信：PCIe总线支持全双工通信，即在同一时刻可以同时进行数据的发送和接收，提高了数据传输的效率和带宽利用率。

二、链路结构

1. 链路：将两个设备连接在一起的PCIe互连称为链路（Link）。链路由每个方向上的x1、x2、x4、x8、x12、x16或x32信号对组成，这些信号对称为通道（Lane）。链路内通道的数量称为链路宽度，决定了数据传输的带宽。
2. Switch：多个PCIe设备可以通过使用Switch互连，从而在一个系统中将大量设备连接在一起。

三、架构组成

1. 根组件（Root Complex，RC）：在PCIe总线架构中只有一个，用于处理器和内存子系统与I/O设备之间的连接。
2. 交换器（Switch）：其功能通常是以软件形式提供的，包括两个或更多的逻辑PCI到PCI的连接桥（PCI-PCI Bridge），以保持与现有PCI兼容。
3. 终端设备（Endpoint，EP）：即PCIe总线上的各种设备，如显卡、网卡、固态硬盘等。

四、通信原理

1. 数据包：PCIe总线使用数据包在设备之间传递信息，数据包在事务层和数据链路层中形成，以将信息从发送设备传送到接收设备。
2. LTSSM状态机：PCIe总线的物理层定义了LTSSM（Link Training and Status State Machine）状态机，用于管理链路状态，并进行链路训练、链路恢复和电源管理。

五、应用场景

1. 数据中心和云计算：PCIe用于连接服务器内部的高速存储设备和网络接口卡，其低延迟和高带宽特性对于处理大量数据和高速网络通讯至关重要。
2. 高性能计算和人工智能：PCIe使得GPU、FPGA等加速器能够高速连接到主机系统，为复杂的计算任务和机器学习模型提供了必要的数据传输速率。
3. 消费电子：在高端游戏PC和控制台中，PCIe接口用于连接高速图形处理单元（GPU），提供流畅的游戏体验和强大的图形处理能力。
4. 嵌入式系统和工业自动化：PCIe技术广泛应用于嵌入式系统和工业自动化领域，支持设备间的高速数据通信，保证了工业控制和监控系统的实时性和可靠性。

NVMe（Non-Volatile Memory Express）非易失性存储器访问和传输协议

是一种非易失性存储器访问和传输协议，专为固态硬盘（SSD）等高性能存储设备设计。以下是关于NVMe的详细解释和举例说明：

一、NVMe的定义

NVMe是一种基于PCI-Express（PCIe）总线的通信协议，用于访问通过PCIe总线附加的非易失性存储器介质，如采用闪存的固态硬盘（SSD）。它定义了一套命令集和功能集，旨在提高存储设备的性能和效率，同时实现广泛的企业级系统和客户端系统的互操作性。

二、NVMe的特点

1. 高性能：NVMe专为SSD设计，相比传统的AHCI（高级主控接口）等旧驱动程序，NVMe能够提供更快的输入/输出（I/O）任务开始速度、更高的数据传输速率和更快的任务结束速度。
2. 低延迟：NVMe通过减少命令处理的延迟和提高并发性，显著降低了存储系统的响应时间。
3. 可扩展性：NVMe支持各种外形尺寸，如PCIe卡插槽、M.2和U.2等，适用于不同应用场景和设备需求。
4. 端到端标准：NVMe不仅提升了存储设备的性能，还促进了存储系统与服务器之间数据传输的高效性，成为数据中心服务器和客户端设备的新行业标准。

三、NVMe的应用场景

1. 数据中心服务器：在数据中心服务器中，NVMe SSD作为高性能存储解决方案，能够提升数据库、云计算和大数据等应用的性能和效率。
2. 客户端设备：在笔记本电脑、台式机和游戏主机等客户端设备中，NVMe SSD能够提供更快的系统启动速度、应用程序加载速度和文件传输速度，提升用户体验。
3. 实时客户互动：在金融、电子商务和软件销售代理等实时客户互动场景中，NVMe SSD能够确保数据的快速处理和传输，提高业务响应速度和客户满意度。

四、举例说明

假设有一个基于NVMe协议的M.2 SSD和一个基于AHCI协议的SATA SSD，它们分别连接到同一台计算机上。在进行文件传输测试时，可以观察到以下差异：

1. 传输速度：NVMe SSD的传输速度通常远高于SATA SSD。例如，NVMe SSD的读带宽可能达到3200MB/s，而SATA SSD的读带宽则可能只有600MB/s左右。
2. 响应时间：NVMe SSD的响应时间也更短。在进行随机读写测试时，NVMe SSD的IOPS（每秒输入输出操作数）可能达到数十万次，而SATA SSD则可能只有几千次。

这些差异使得NVMe SSD在高性能计算和实时数据处理等场景中具有显著优势。

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