SimpleSSD-固件模型

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SimpleSSD-固件模型

1. HIL

HIL : Host Interface Layer

HIL Overview

在HIL中，SimpleSSD实现了三种主机控制器模型——NVMe、SATA、UFS。另外有继承自NVMe的OpenChannel SSD，以下仅说明NVMe。
NVMe控制模型如下，其中包含接收上层命令的Interface以及内部的Controller、Subsystem、Namespace等模块。

NVMe Overview

1.1 Host Interface

定义主机接口层的抽象类SimpleSSD::HIL::NVMe::Interface位于文件hil/nvme/interface.hh中，提供了对仿真器的一般API，其具体实现可以在src/dev/storage/nvme_interface.hh中的NVMeInterface类里查看。

SimpleSSD::HIL::NVMe::Interface继承自SimpleSSD::DMAInterface，DMAInterface是为了DMA而设计的抽象类，其中包含DMA读写的接口函数：

  • void dmaRead(uint64_t, uint64_t, uint8_t *, DMAFunction &, void * = nullptr)
  • void dmaWrite(uint64_t, uint64_t, uint8_t *, DMAFunction &, void * = nullptr)

1.2 Controller

SimpleSSD用三个组件设计了NVMe控制器/固件：Controller、Subsystem、Namespace。Controller处理所有队列操作：从SQ读取请求，向CQ写入响应并发送中断；Subsystem处理所有NVMe Admin命令，管理Namespace，并向下层的SSD接口发出I/O；Namespace处理所有NVMe I/O命令。图为Controller的运行逻辑。

NVMe Controller

一个事件引擎会周期性（通过WorkPeriod参数配置）调用Controller::work函数，该函数会通过函数Controller::collectSQueue收集所有提交队列，其中新的请求会被插入到内部的一个FIFO队列（Controller::lSQFIFO）。新的请求会调用请求处理函数Controller::handleRequest，之后调用AbstractSubsystem::submitCommand（实际上是Subsystem::submitCommand）。在submitCommand函数中会判别请求的类型，如果是Admin命令则转移到Subsystem的相应函数中去处理，如果是I/O命令则会移交给Namespace::submitCommand函数。

处理完成后，会依次调用Controller::reserveCompletion、Controller::completion函数，completion函数会将完成的请求写入CQ并调用函数Controller::updateInterrupt（实际是Interface::updateInterrupt）向host发送中断。

1.3 Subsystem

SimpleSSD::HIL::NVMe::Subsystem处理Admin commands，其定义位于文件hil/nvme/subsystem.hh。Subsystem类继承自抽象类SimpleSSD::HIL::NVMe::AbstractSubsystem。

图中为Subsystem的工作方式。

NVMe Subsystem

Subsystem有两个部分，一部分用于命令的处理，另一部分用于I/O请求的处理。

1.4 Namespace

SimpleSSD::HIL::NVMe::Namespace用于处理I/O命令，其定义位于hil/nvme/namespace.hh。Namespace的结构与Subsystem类似，I/O命令到来时，会调用其中对应的处理函数。

1.5 SSD Interface

HIL下层是ICL，其交互的接口位于文件hil/hil.cc中，定义为类SimpleSSD::HIL::HIL。

NVMe SSD Interface

2. ICL

ICL ： Internal Cache Layer

ICL

ICL是SimpleSSD实现的I/O缓存层，相当于一个data cache。默认的实现是icl/generic_cache.hh中的类SimpleSSD::ICL::GenericCache，内部是一个组相连Cache。可以通过参数EnableReadCache和EnableWriteCache决定是否使用读和写Cache。

选项 描述
CacheSize 缓存大小。
CacheWaySize 缓存相联度。
EnableReadCache 使读Cache有效。
EnableReadPrefetch 使read-ahead和prefetch有效。
ReadPrefetchMode 指定read-ahead和prefetch的数据大小
ReadPrefetchCount 指定多少次I/O产生一次read-ahead/prefetch。
ReadPrefetchRatio 指定多少数据量产生一次read-ahead/prefetch。
EnableWriteCache 使写Cache有效。
EvictPolicy 指定逐出算法。
EvictMode 指定Cache满时逐出多少数据量。
CacheLatency 指定Cache元数据访问延迟。
   

3. FTL

FTL ： Flash Translation Layer

FTL

FTL的具体实现在文件ftl/page_mapping.cc的类SimpleSSD::FTL::PageMapping中，其中包括I/O命令的处理函数、垃圾回收函数doGarbageCollection、负载均衡函数getFreeBlock等。PageMapping::table存储了LPN到PPN的映射表，FTL::Block存储了块元信息以及反向映射表。

读函数最终会到达PageMapping::readInternal函数，写函数会到达PageMapping::writeInternal函数。

FTL Page