NVMe
NVMe是一种Host与SSD之间通讯的协议，它在协议栈中隶属高层。
NVMe在协议栈中处于应用层或者命令层，它是指挥官，军师，在三国的话，就是诸葛亮的角色。”运筹帷幄之中，决胜千里之外”。军师设计好计谋，就交由手下五虎大将去执行。NVMe的手下大将就是PCIe，它所制定的任何命令，都交由虎将PCIe去完成。虽然NVMe的命令可能可以由别的接口协议完成，但NVMe与PCIe合作形成的战斗力无疑是最强的。
NVMe是为SSD所生的。NVMe出现之前，SSD绝大多数走的是AHCI和SATA的协议，后者其实是为传统HDD服务的。与HDD相比，SSD具有更低的延时和更高的性能，AHCI已经不能跟上SSD性能发展的步伐了，已经成为制约SSD性能的瓶颈。所有SATA接口的SSD，你去看性能参数，会发现都不会超过600MB/s。如果碰到有人跟你说它的SATA SSD读取性能可以超过600MB/s，直接拨打110报警。不是底层Flash带宽不够，是SATA接口速度限制了，因为SATA现在最高带宽就是600MB/s。OK，既然SATA接口速度太慢，我用PCIe好了，不过上层协议还是AHCI。五虎上将有了，由刘备指挥，让人不禁感叹暴殄天物呀。刘备什么水平，诸葛亮出现之前，居无定所，一会跟着曹操混，一会又跟着吕布混，谁肯收留就跟谁混。惨呀！AHCI和刘备一个德行，只有一个命令队列，最多同时只能发32条命令，HDD时代（群雄逐鹿）还能混混，SSD时代（三足鼎立）就只有被灭的份。刘备需要三顾茅庐，需要诸葛亮的辅佐。同样，SSD需要PCIe，更需要NVMe。
在这样的背景下，Intel等巨头携天子以令诸侯，集大家智慧，制定出了NVMe规范，目的就是释放SSD性能潜力，解SSD倒悬之苦。
上面只列了几个巨头，参与的公司远不止这些。没有上榜的公司不要见怪。
NVMe制定了Host与SSD之间通讯的命令，以及命令如何执行的。
NVMe有两种命令，一种叫Admin Command，用以Host管理和控制SSD；另外一种就是I/O Command，用以Host和SSD之间数据的传输。下面是NVMe1.2支持的命令列表：
NVMe支持的Admin Command：
NVMe支持的I/O Command：
跟ATA spec中定义的命令相比，NVMe的命令个数少了很多，完全是为SSD量身定制的。大家现在别纠结于具体的命令，了解一下就好。老板交代干活的时候，再找spec一个一个看吧。
命令有了，那么，Host又是怎么把这些命令发送给SSD执行呢？
NVMe有三宝：Submission Queue （SQ），Completion Queue（CQ）和Doorbell Register （DB）。 SQ和CQ位于Host的内存中，DB则位于SSD的控制器内部。上图：
这张图信息量比较大，除了让我们知道SQ和CQ在Host的memory中以及DB在SSD端外，而且让我们对一个PCIe系统有一个具体的认识。上图中的NVMe Subsystem一般就是SSD。请看这张图几秒钟，然后闭上眼，脑补SSD所处的位置：SSD作为一个PCIe Endpoint通过PCIe连着Root Complex （RC）, 然后RC连接着CPU和内存。RC是什么？我们可以认为RC就是CPU的代言人，助理，或者小蜜。作为系统中最高层，CPU说：我很忙的，你SSD有什么事情先跟我小蜜说！尽管如此，SSD的地位还是较过去提升了一级，过去SSD别说直接接触霸道总裁，就是连小蜜的面都见不到，SSD和小蜜之间还隔着一座南桥呢。滚蛋吧，南桥君！
扯远了，刚才要说什么来着。对了，是三宝。SQ位于Host内存中，Host要发送命令时，先把准备好的命令放在SQ中，然后通知SSD来取；CQ也是位于Host内存中，一个命令执行完成，成功或失败，SSD总会往CQ中写入命令完成状态。DB（大宝？）又是干什么用的呢？Host发送命令时，不是直接往SSD中发送命令的，而是把命令准备好放在自己的内存中，那怎么通知SSD来获取命令执行呢？Host就是通过写SSD端的大宝寄存器来告知SSD的：饭已OK了，下来密西吧！
OK，具体的我们来看看NVMe是如何处理命令的，看图说话：
这是NVMe1.2规范中的第207张图。不知道是人家图画得好呢，还是NVMe就是这么简单，抑或是我比较聪明，反正上面的命令处理流程我一看就明白了。好吧，给没我聪明的人再解释一下。
说，把大象放冰箱一共要几步？答：三步。
第一步，打开冰箱门；
第二步，放进大象；
第三步，关上冰箱门。
说，NVMe处理命令需要几步？答：八步：
第一步：Host写命令到SQ；
第二步：Host写DB，通知SSD取指；
第三步：SSD收到通知，于是从SQ中取指；
第四步：SSD执行指令；
第五步：指令执行完成，SSD往CQ中写指令执行结果；
第六步：然后SSD发短信通知Host指令完成；
第七步：收到短信，Host处理CQ，查看指令完成状态；
第八步：Host处理完CQ中的指令执行结果，通过DB回复SSD：指令执行结果已处理，辛苦您了！
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上回书说道，NVMe有三宝：SQ,CQ和DB。接下来我们就详细的看看这吉祥三宝。
Host往SQ中写入命令， SSD往CQ中写入命令完成结果。SQ与CQ的关系，可以是一对一的关系，也可以是多对一的关系，但不管怎样，他们是成对的：有因就有果，有SQ就必然有CQ。
有两种SQ和CQ，一种是Admin，另外一种是I/O，前者放Admin命令，用以Host管理控制SSD，后者放置I/O命令，用以Host与SSD之间传输数据。”你挑着担，我牵着马”（西游记的节奏呀），Admin SQ/CQ 和I/O SQ/CQ各司其职，你不能把Admin命令放到I/O SQ中，同样，你也不能把I/O命令放到Admin SQ里面。如果你不信这个邪，可以不遵守这个规矩试试，看看会发生什么，反正后果自负。
正如上图所示，系统中只有一对Admin SQ/CQ，它们是一一对应的关系；I/O SQ/CQ却可以很多，多达65535（64K减去一个SQ/CQ）。行政人员少，干活的人多，很多公司都是这样的吧，所以Admin SQ/CQ少，I/O SQ/CQ多就不难理解了。Host端每个Core可以有一个或者多个SQ，但只有一个CQ。给每个Core分配一对SQ/CQ好理解，为什么一个Core中还要多个SQ呢？一是性能需求，一个Core中有多线程，可以做到一个线程独享一个SQ；二是QoS需求，什么是QoS？Quality of Service，服务质量。脑补一个场景，蛋蛋一边看小电影，同时迅雷在后台下载小电影，由于电脑配置差，看个小电影都卡。蛋蛋最讨厌看小电影的时候卡顿了，因为你刚刚燃起的激情会被那个缓冲浇灭。所以，蛋蛋不要卡顿！怎么办？NVMe建议，你设置两个SQ，一个赋予高优先级，一个低优先级，把看小电影所需的命令放到高优先级的SQ，迅雷下载所需的命令放到低优先级的SQ，这样，你那破电脑就能把有限的资源优先满足你看小电影了。至于迅雷卡不卡，下载慢不慢，这个时候已经不重要了。能让蛋蛋舒舒服服的看完一个小电影，就是好的QoS。
实际系统中用多少个SQ，取决于系统配置和性能需求，可灵活设置I/O SQ个数。关于系统中I/O SQ的个数，NVMe白皮书给出如下建议：
作为队列，每个SQ和CQ都有一定的深度：对Admin SQ/CQ来说，其深度可以是2-4096（4K）；对I/O SQ/CQ，深度可以是2-65536(64K)。队列深度也是可以配置的。
SQ/CQ的个数可以配置，每个SQ/CQ的深度又可以配置，因此NVMe的性能是可以通过配置队列个数和队列深度来灵活调节的。NVMe太牛了吧，想胖就胖，想瘦就瘦；想高就高，想矮就矮，整一孙悟空呀！我们已经知道，AHCI只有一个命令队列，且队列深度是固定的32，就凡人一个，和NVMe相比，无论是在命令队列广度还是深度上，都是无法望其项背的；NVMe命令队列的百般变化，更是AHCI无法做到的。说到百般变化，我突然又想到一件残忍的事情：PCIe也是可以的。一个PCIe接口，可以有1,2,4,8,12,16,32条lane！SATA都要哭了，单挑都挑不过你，你还来群殴我。总之AHCI/SATA和NVMe/PCIe 这么一比较，画面太美，蛋蛋不敢看。
蛋蛋在这里总是贬低AHCI/SATA，有人要说蛋蛋忘恩负义，过河拆桥。怎么说？想当年，你SSD刚出来的时候，要不是AHCI/SATA收留了你，辛苦把你养大，都不知道你现在在哪里流浪。现在好了，你SSD翅膀硬了，不说一句感谢的话，倒反过来嫌弃我。各位看官，误会了，前面都是演戏，不说你AHCI/SATA不好，怎么能突出我NVMe/PCIe的好，毕竟后者才是男女一号，这么做完全是剧情需要。戏外，SSD不会忘记你AHCI/SATA的好。忘恩负义？蛋蛋不是那种人。
虽然是在戏里，但总说AHCI/SATA的不好，这样真的好吗？蛋蛋是个怀旧的人，突然就有种蛋蛋的忧伤。好吧，以后就谈NVME，不说AHCI了。孰好孰坏，留与读者评说。
戏还得继续演。
每个SQ放入的是命令条目，无论是Admin还是I/O命令，每个命令条目大小都是64字节；每个CQ放入的是命令完成状态信息条目，每个条目大小是16字节。
在继续谈大宝（DB）之前，先对SQ和CQ做个小结：
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SQ用以Host发命令，CQ用以SSD回命令完成状态
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SQ/CQ可以在Host的内存中，也可以在SSD中，但一般在Host 内存中（所有系列文章都是基于SQ/CQ在Host内存中讲的）;
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两种类型的SQ/CQ：Admin和I/O，前者发送Admin命令，后者发送I/O命令;
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系统中只能有一对Admin SQ/CQ，但可以有很多对I/O SQ/CQ;
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I/O SQ与CQ可以是一对一的关系，也可以是一对多的关系；
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I/O SQ是可以赋予不同优先级的；
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I/O SQ/CQ深度可达64K，Admin SQ/CQ深达4K；
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I/O SQ/CQ的广度和深度都可以灵活配置；
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每条命令大小是64字节，每条命令完成状态是16字节；
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不要过河拆桥。
SQ/CQ中的”Q”,是Queue，队列的意思，无论SQ还是CQ，都是队列，并且是环形队列。队列有几要素，除了队列深度，队列内容，还有两个重要的，就是队列的头（Head）和尾巴（Tail）。大家都排过队，你加入队伍的时候，都是站到队伍的最后，如果你插队，蛋蛋就会鄙视你。队伍最前头的那个，正在被服务或者等待被服务，一旦完成，就离开队伍。队列的头尾很重要，头决定谁会被马上服务，尾巴决定了新来的人站的位置。DB，就是用来记录了一个SQ或者CQ的Head和Tail。每个SQ或者CQ，都有两个对应的DB: Head DB和Tail DB。DB是在SSD端的寄存器，记录SQ和CQ的头和尾巴的位置。
上面是一个队列的生产/消费模型。生产者往队列的Tail写入东西，消费者往队列的Head取出东西。对一个SQ来说，它的生产者是Host，因为它往SQ的Tail位置写入命令，消费者是SSD，因为它往SQ的Head取出指令执行；对一个CQ来说，刚好相反，生产者是SSD，因为它往CQ的Tail写入命令完成信息，消费者则是Host，它从CQ的Head取出命令完成信息。
举个例子，看图说话.
1. 开始假设SQ1和CQ1是空的，Head = Tail = 0.
2. 这个时候，Host往SQ1中写入了三个命令，SQ1的Tail则变成3。 Host在往SQ1写入三个命令后，同时漂洋过海去更新SSD Controller端的SQ1 Tail DB寄存器，值为3。Host更新这个寄存器的同时，也是在告诉SSD Controller：有新命令了，需要你去取。
3. SSD Controller收到通知后，于是派人去SQ1把3个命令都取回来执行。SSD把SQ1的三个命令都消费了，SQ1的Head从而也调整为3，SSD Controller会把这个Head值写入到本地的SQ1 Head DB寄存器。
4. SSD执行完了两个命令，于是往CQ1中写入两个命令完成信息，同时更新CQ1对应的Tail DB 寄存器，值为2。SSD并且发消息给Host：有命令完成，请注意查看。
5. Host收到SSD的短信通知，于是从CQ1中取出那两条完成信息处理。处理完毕，Host又漂洋过海的往CQ1 Head DB寄存器中写入CQ1的head，值为2。
看完这个例子，又重温了一下命令处理流程。之前我们也许只记住了命令处理需要8步（距离曹植一步之遥），看完上面的例子，我们应该对命令处理流程有个更深入具体的认识。
那么，DB在命令处理流程中起了什么作用呢？
首先，如前所示，它记住了SQ和CQ的头和尾。对SQ来说，SSD是消费者，它直接和队列的头打交道，很清楚SQ的头在哪里，所以SQ head DB由SSD自己维护；但它不知道队伍有多长，尾巴在哪，后面还有多少命令等待执行，相反，Host知道，所以SQ Tail DB由Host来更新。SSD结合SQ的头和尾，就知道还有多少命令在SQ中等待执行了。对CQ来说，SSD是生产者，它很清楚CQ的尾巴在哪里，所以CQ Tail DB由自己更新，但是SSD不知道Host处理了多少条命令完成信息，需要Host告知，因此CQ Head DB由Host更新。SSD根据CQ的头和尾，就知道CQ能不能以及能接受多少命令完成信息。
DB的另外一个作用，就是通知作用：Host更新SQ Tail DB的同时，也是在告知SSD有新的命令需要处理；Host更新CQ Head DB的同时，也是在告知SSD，你返回的命令完成状态信息我已经处理，同时表示谢意。
这里有一个对Host不公平的地方，Host对DB只能写，还仅限于写SQ Tail DB和CQ Head DB，不能读取DB。蛋蛋突然想唱首歌：
Host就是这样痴情。在这个限制下，我们看看Host是怎样维护SQ和CQ的。SQ的尾巴没有问题，Host是生产者，对新命令来说，它清楚自己应该站在队伍哪里。但是Head呢？SSD在取指的时候，是偷偷进行的，Host对此毫不知情。Host发了取指通知后，它并不清楚SSD什么时候去取命令，取了多少命令。怎么破？机智如你，如果是你，你会怎么做？山人自有妙计。给个提示：
这是什么鬼东西？这是SSD往CQ中写入的命令完成状态信息（16字节）。
是的，SSD往CQ中写入命令状态信息的同时，还把SQ Head DB的信息告知了Host！！这样，Host对SQ中Head和Tail的信息都有了，轻松玩转SQ。
CQ呢？Host知道Head，不知道Tail。那怎么能知道Tail呢？思路很简单，既然你SSD知道，那你告诉我呗！SSD怎么告诉Host呢？还是通过SSD返回命令状态信息中。哈哈，看到上图中的“P”吗？干什么用，做标记用。
具体是这样的：一开始CQ中每条命令完成条目中的”P” bit初始化为0，SSD在往CQ中写入命令完成条目时，会把”P”写成1。记住一点，CQ是在Host端的内存中，Host可以检查CQ中的所有内容，当然包括”P”了。Host记住上次的Tail，然后往下一个一个检查”P”，就能得出新的Tail了。就是这样。
最后，给大宝做个小结：
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DB在SSD Controller端，是寄存器
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DB记录着SQ和CQ的Head和Tail
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每个SQ或者CQ有两个DB: Head DB 和Tail DB
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Host只能写DB，不能读DB
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Host通过SSD往CQ中写入的命令完成状态获取Head或者Tail
