CN114003170B - 一种基于FPGA的Raid卡驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于FPGA的Raid卡驱动方法，所述方法应用于基于FPGA的Raid卡驱动方法系统，所述数据传输系统包括主机、驱动、FPGA和多个nvmessd盘；所述方法包括：首先完成PCIe枚举，将FPGA下属的2个PCIe RC端口的配置AXI_Lite接口都直接映射到CPU地址空间,完成PCIe RC端口下面的每个SSD的枚举和配置；通过读写FPGA相关bar空间来访问RC下的各设备的PCIe配置空间；其次，对各nvme ssd盘进行初始化。本发明采用FPGA专门的RAID卡驱动，为应用层提供接口，实现上将部分功能交给驱动，降低了FPGA的开发难度，提高了开发的灵活性。

Description

一种基于FPGA的Raid卡驱动方法
技术领域
本发明涉及一种数据存储技术、磁盘阵列技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的Raid卡驱动方法。
背景技术
Raid：Redundant Array of Independent Disks，即独立磁盘冗余阵列，或简称磁盘阵列，是把相同的数据存储在多个硬盘的不同的地方的方法。通过把数据放在多个硬盘上，输入输出操作能以平衡的方式交叠，改良性能。
PCIe：PCI-Express，peripheral component interconnect express，是一种高速串行计算机扩展总线标准，是继ISA和PCI总线之后的第三代I/O总线，即3GIO。
nvme：Non-Volatile Memory express，非易失性高速传输总线，是一个逻辑设备接口规范；是Host和PCIE BUS SDD间的数据通信协议，是专门针对PCIe SSD设计的接口标准；协议定义了驱动软件与非易失存储子系统，如外设部件互连标准和接口PCIe的固态硬盘等，驱动软件与非易失存储子系统之间交互的命令集、队列和寄存器的接口，它同样定义了NVM子系统的基本命令集；是一个可扩展的主机控制接口，适用于解决使用PCIe SSD的企业和客户端系统的需求。
ssd：Solid State Disk或Solid State Drive，即固态驱动器，是用固态电子存储芯片阵列制成的硬盘。
对FPGA所带的PCIe RC端口做pcie枚举，分配总线号、bar空间等，初始化nvmessd，配置nvme管理队列，创建nvme io队列，配置Raid信息，出现坏盘时驱动创建多个线程进行重建。
FPGA由于其相对于专门的Raid芯片的灵活性、开发周期更短等，用于实现RAID卡，为了使用该RAID卡，需要专门的驱动，以及为应用层提供接口，同时由于软件比FPGA更加灵活方便，部分工作交给了驱动。
发明内容
本发明的目的解决了采用FPGA直接驱动nvme ssd时，当出现坏盘时驱动会创建多个线程进行重建的问题，降低了FPGA开发驱动的复杂度。
本发明的目的在于提供一种基于FPGA的Raid卡驱动方法，以解决上述技术背景中提出的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明第一个方面提供了一种基于FPGA的Raid卡驱动方法，包括：
首先完成PCIe枚举，将FPGA下属的2个PCIe RC端口的配置AXI_Lite接口都直接映射到CPU地址空间，完成PCIe RC端口下面的每个ssd的枚举和配置；通过读写FPGA相关bar空间来访问RC下的各设备的PCIe配置空间；其次，对各nvme ssd盘进行初始化。
优选地，所述PCIe枚举步骤如下：
A1：分配并配置总线，除FPGA下属2个PCIe RC本身，在访问其下边的子设备的PCIe配置空间前都需要配置；
A2：遍历和配置，遍历所有子设备，配置子设备关掉中断，找到子设备id为PCIe的capability并配置mps以及mrrs值，读取子设备读取子设备的PCIe header type，如果为1，则其为桥类设备，说明其下还有其他的设备，对于该子设备，执行骤A1；如果为0，则非桥类设备，说明其为nvme ssd的插槽，执行步骤A3；
A3：记录该插槽的槽位是第几个槽位，给该槽位分配bar空间并回溯更新其父设备至RC的bar空间。
优选地，所述对各nvme ssd盘进行初始化的步骤如下：
B1：逐个初始化nvme ssd，每个nvme ssd先进行复位，再配置管理队列，再创建驱动用的io队列；
B2：根据nvme ssd盘记录的Raid信息，配置好相关FPGA寄存器，告知FPGA Raid模式和盘数量；
B3：创建FPGA io队列，用于处理应用层下发给Raid盘的命令；
B4：创建nvme ssd的io队列，供FPGA使用；
B5：创建块设备，使用户得以使用Raid盘；
B6：对于不在Raid组里的盘，开放给用户直接使用。
优选地，所述遍历过程是采用深度优先算法进行的。
本发明第二个方面提供了一种基于FPGA的Raid卡驱动装置，包含：
PCIe枚举模块，用于将FPGA下属的2个PCIe RC端口的配置AXI_Lite接口都直接映射到CPU地址空间，完成PCIe RC端口下面的每个ssd的枚举和配置；以及通过读写FPGA相关bar空间来访问RC下的各设备的PCIe配置空间；
nvme ssd盘初始化模块，用于对各nvme ssd盘进行初始化。
在一种优选实施例中，所述PCIe枚举模块包括：
总线分配及配置子模块，用于除FPGA下属2个PCIe RC本身外，配置FPGA下边的子设备的PCIe配置空间；
子设备遍历和配置子模块，用于遍历所有子设备，配置子设备关掉中断，找到子设备id为PCIe的capability并配置mps以及mrrs值；
判断模块，用于读取子设备的PCIe header type，并判断PCIe header type是否为1，如果为1，则判断该子设备为桥类设备，说明其下还有其他的设备；如果为0，则判断该子设备为非桥类设备，说明其为nvme ssd的插槽；
槽位记录模块，用于当判断模块判断该子设备为非桥类设备时，记录插槽的槽位是第几个槽位，给该槽位分配bar空间并回溯更新其父设备至RC的bar空间。
本发明第三个方面还提供了一种基于FPGA的Raid卡驱动系统，包括：主机、驱动、FPGA和多个nvme ssd盘；其中，
所述主机与所述驱动通信连接；
所述驱动与所述FPGA通信连接；
所述FPGA和所述驱动分别与多个所述nvme ssd盘连接；
所述驱动包括上述的一种基于FPGA的Raid卡驱动装置。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
Raid卡使用方便，将部分功能交给驱动，降低了FPGA的开发难度，提高了开发的灵活性。
附图说明
构成本申请的一部分附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的Raid卡驱动方法；
图2是本发明优选实施例的系统组成框图；
图3是优选实施例PCIe枚举步骤；
图4是优选实施例对各nvme ssd盘进行初始化的步骤。
具体实施方式
本发明提供一种基于FPGA的Raid卡驱动方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例：
本发明提供一种基于FPGA的Raid卡驱动方法应用实例，其Raid卡驱动方法如图1所示。
图2为一种基于FPGA的Raid卡驱动系统组成框图，系统包括主机、驱动、FPGA、4+2磁盘阵列和2个独立使用磁盘阵列。
驱动首先完成PCIe枚举，将FPGA下属的2个PCIe RC端口的配置AXI_Lite接口都直接映射到主机CPU地址空间，完成PCIe RC端口下面的每个ssd的枚举和配置；通过读写FPGA相关bar空间来访问RC下的各设备的PCIe配置空间；其次，对各nvme ssd盘进行初始化。
参阅图3所示，PCIe枚举的具体步骤如下：
A1：分配并配置总线，除FPGA下属2个PCIe RC本身，在访问其下边的子设备的PCIe配置空间前都需要配置；
A2：遍历和配置，采用深度优先算法遍历所有子设备，配置子设备关掉中断，找到子设备id为PCIe的capability并配置mps以及mrrs值，读取子设备读取子设备的PCIeheader type，如果为1，则其为桥类设备，说明其下还有其他的设备，对于该子设备，执行骤A1；如果为0，则非桥类设备，说明其为nvme ssd的插槽，执行步骤A3；
A3：记录该插槽的槽位是第几个槽位，给该槽位分配bar空间并回溯更新其父设备至RC的bar空间。
参阅图4所示，各nvme ssd盘进行初始化的步骤如下：
B1：逐个初始化4+2磁盘阵列和2个独立使用磁盘阵列中nvme ssd，每个nvme ssd先进行复位，再配置管理队列，再创建驱动用的io队列；
B2：根据nvme ssd盘记录的Raid信息，配置好相关FPGA寄存器，告知FPGA Raid模式和盘数量；
B3：创建FPGA io队列，用于处理应用层下发给Raid盘的命令；
B4：创建nvme ssd的io队列，供FPGA使用；
B5：创建块设备，使用户得以使用Raid盘；
B6：对于不在Raid组里的盘，开放给用户直接使用。
另一方面，本发明还提供了一种基于FPGA的Raid卡驱动装置，包括：PCIe枚举模块和nvme ssd盘初始化模块。其中，所述PCIe枚举模块，用于将FPGA下属的2个PCIe RC端口的配置AXI_Lite接口都直接映射到CPU地址空间，完成PCIe RC端口下面的每个ssd的枚举和配置；以及通过读写FPGA相关bar空间来访问RC下的各设备的PCIe配置空间。所述nvme ssd盘初始化模块，用于对各nvme ssd盘进行初始化。
具体地，所述PCIe枚举模块包括：
总线分配及配置子模块，用于除FPGA下属2个PCIe RC本身外，配置FPGA下边的子设备的PCIe配置空间；
子设备遍历和配置子模块，用于遍历所有子设备，配置子设备关掉中断，找到子设备id为PCIe的capability并配置mps以及mrrs值；
判断模块，用于读取子设备的PCIe header type，并判断PCIe header type是否为1，如果为1，则判断该子设备为桥类设备，说明其下还有其他的设备；如果为0，则判断该子设备为非桥类设备，说明其为nvme ssd的插槽；
槽位记录模块，用于当判断模块判断该子设备为非桥类设备时，记录插槽的槽位是第几个槽位，给该槽位分配bar空间并回溯更新其父设备至RC的bar空间。
综上所述，本申请采用基于FPGA的Raid卡驱动方法，解决了采用FPGA直接驱动nvme ssd时，当出现坏盘时驱动会创建多个线程进行重建的问题，降低了FPGA开发驱动的复杂度。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (4)

1.一种基于FPGA的Raid卡驱动方法，其特征在于，包括：
首先完成PCIe枚举，将FPGA下属的2个PCIe RC端口的配置AXI_Lite接口都直接映射到CPU地址空间，完成PCIe RC端口下面的每个ssd的枚举和配置；通过读写FPGA相关bar空间来访问RC下的各设备的PCIe配置空间；其次，对各nvme ssd盘进行初始化；
其中，所述PCIe枚举步骤包括：
A1：分配并配置总线，除FPGA下属2个PCIe RC本身，在访问其下边的子设备的PCIe配置空间前都需要配置；
A2：遍历和配置，遍历所有子设备，配置子设备关掉中断，找到子设备id为PCIe的capability并配置mps以及mrrs值，读取子设备的PCIe header type，如果为1，则其为桥类设备，说明其下还有其他的设备，对于该子设备，执行步骤A1；如果为0，则非桥类设备，说明其为nvme ssd的插槽，执行步骤A3；
A3：记录该插槽的槽位是第几个槽位，给该槽位分配bar空间并回溯更新其父设备至RC的bar空间；
其中，所述对各nvme ssd盘进行初始化的步骤包括：
B1：逐个初始化nvme ssd，每个nvme ssd先进行复位，再配置管理队列，再创建驱动用的io队列；
B2：根据nvme ssd盘记录的Raid信息，配置好相关FPGA寄存器，告知FPGA Raid模式和盘数量；
B3：创建FPGA io队列，用于处理应用层下发给Raid盘的命令；
B4：创建nvme ssd的io队列，供FPGA使用；
B5：创建块设备，使用户得以使用Raid盘；
B6：对于不在Raid组里的盘，开放给用户直接使用。
2.根据权利要求1所述基于FPGA的Raid卡驱动方法，其特征在于，所述遍历过程是采用深度优先算法进行的。
3.一种基于FPGA的Raid卡驱动装置，其特征在于，包括：
PCIe枚举模块，用于将FPGA下属的2个PCIe RC端口的配置AXI_Lite接口都直接映射到CPU地址空间，完成PCIe RC端口下面的每个ssd的枚举和配置；以及通过读写FPGA相关bar空间来访问RC下的各设备的PCIe配置空间；
nvme ssd盘初始化模块，用于对各nvme ssd盘进行初始化，执行如下步骤B1～B6：
B1：逐个初始化nvme ssd，每个nvme ssd先进行复位，再配置管理队列，再创建驱动用的io队列；
B2：根据nvme ssd盘记录的Raid信息，配置好相关FPGA寄存器，告知FPGA Raid模式和盘数量；
B3：创建FPGA io队列，用于处理应用层下发给Raid盘的命令；
B4：创建nvme ssd的io队列，供FPGA使用；
B5：创建块设备，使用户得以使用Raid盘；
B6：对于不在Raid组里的盘，开放给用户直接使用；
其中，所述PCIe枚举模块包括：
总线分配及配置子模块，用于除FPGA下属2个PCIe RC本身外，配置FPGA下边的子设备的PCIe配置空间；
子设备遍历和配置子模块，用于遍历所有子设备，配置子设备关掉中断，找到子设备id为PCIe的capability并配置mps以及mrrs值；
判断模块，用于读取子设备的PCIe header type，并判断PCIe header type是否为1，如果为1，则判断该子设备为桥类设备，说明其下还有其他的设备；如果为0，则判断该子设备为非桥类设备，说明其为nvme ssd的插槽；
槽位记录模块，用于当判断模块判断该子设备为非桥类设备时，记录插槽的槽位是第几个槽位，给该槽位分配bar空间并回溯更新其父设备至RC的bar空间。
4.一种基于FPGA的Raid卡驱动系统，其特征在于，包括：主机、驱动、FPGA和多个nvmessd盘；其中，
所述主机与所述驱动通信连接；
所述驱动与所述FPGA通信连接；
所述FPGA和所述驱动分别与多个所述nvme ssd盘连接；
所述驱动包括如权利要求3中所述的一种基于FPGA的Raid卡驱动装置。
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