CN211087100U - 一种NVMe SSD的硬盘转接板及NVMe SSD虚拟化系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种NVMe SSD的硬盘转接板及NVMe SSD虚拟化系统。其中，NVMe SSD的硬盘转接板包括NVMe Switch芯片、主机端口和固态硬盘端口，固态硬盘端口的类型与相连的NVMe SSD规格和尺寸相匹配。NVMe Switch芯片为具有SR‑IOV功能的设备，硬盘转接板通过主机端口与主机相连，通过固态硬盘端口与NVMe SSD相连。本申请利用NVMe Switch芯片来实现NVMe SSD的SR‑IOV功能，保证硬盘转接板后端接的NVMe SSD不管是否支持SR‑IOV功能，均可以实现在虚拟机情况下对NVMe SSD进行数据读写的时候接近原生NVMe SSD的性能及延时，从而实现NVME SSD的虚拟化，提升NVME SSD性能。

Description

一种NVMe SSD的硬盘转接板及NVMe SSD虚拟化系统

技术领域

本申请涉及硬件虚拟化技术领域，特别是涉及一种NVMe SSD的硬盘转接板及NVMeSSD虚拟化系统。

背景技术

随着互联网的普及，大型数据中心随之诞生，例如AWS， Microsoft，AliCloud等。全世界每年都会诞生非常多的中小企业，如果想轻量化资产，因为规模比较小，建成之初一般不会建立自己的IT 维护团队，这样不仅可以省去一部分人员开支之外，还不用去购买各种用来进行计算，传输，存储的设备，例如服务器、交换机等；绝大多数中小企业都会去租用数据中心的云服务业务，从而通过网络连接到数据中心，根据自己的业务类型，租用数据中心的不同业务，从而在实现企业在资产轻量化的前提下，从无到有，从小到大的快速扩张。

数据中心的机房中部署了成千上万台的服务器，随着NVMe协议的快速普及，服务器越来越多的配置NVMe(Non-Volatile Memory express，称非易失性内存主机控制器接口规范)SSD(Solid State Drives，固态硬盘)作为存储数据的媒介，从而让租户(中小企业)能够得到更好的体验。

然而提供云服务的互联网厂商，一般对客户提供的云业务的主机一般都是虚拟机，即一台服务器，有可能根据其硬件配置，可以虚拟化出来多台虚拟机供客户租用，在虚拟机的状态下，一台服务器的物理资源是有限的，考虑到成本等问题，每个租户不可能单独享用某个硬件资源，数据中心云服务业务都是通过虚拟机的方式对外提供服务中，这就带来了一个问题，即在虚拟机存在的场景中，原生的NVME SSD无法发挥其原生性能及延时，即不能达到裸机状态下的指标，就是服务器装完系统以后直接使用的情况，不会在系统下面再安装虚拟机(类似KVM，Hyper-V，VMvare等)。

鉴于此，如何实现NVME SSD的虚拟化，提升NVME SSD性能，是本领域技术人员需要解决的问题。

实用新型内容

本申请提供一种NVMe SSD的硬盘转接板及NVMe SSD虚拟化系统，实现NVME SSD的虚拟化，提升NVME SSD性能。

为解决上述技术问题，本申请提供以下技术方案：

本实用新型实施例一方面提供了一种NVMe SSD的硬盘转接板，包括NVMe Switch芯片、主机端口和固态硬盘端口；

其中，所述NVMe Switch芯片为具有SR-IOV功能的设备，硬盘转接板通过所述主机端口与主机相连，通过所述固态硬盘端口与 NVMe SSD相连，所述固态硬盘端口的类型与相连的NVMe SSD规格和尺寸相匹配。

可选的，所述NVMe Switch芯片、所述主机端口和所述固态硬盘端口集成在硅片基底上，且所述硬盘转接板设置在硬盘托架的PCB板上。

可选的，所述主机端口为PCIe3.0*4模式的PCIe接口；所述固态硬盘端口为PCIe3.0*4模式的PCIe接口和/或PCIe3.0*8模式的PCIe 接口。

可选的，所述主机端口通过U.2连接器连接所述主机，所述固态硬盘端口通过所述U.2连接器连接所述NVMe SSD；且所述主机端口和所述固态硬盘端口设置在相对的两个侧面上。

可选的，所述NVMe Switch芯片支持RAID功能，所述固态硬盘端口为多个，以使所述硬盘转接板连接多个不同规格的NVMe SSD构成RAID阵列。

可选的，还包括电子保险芯片和开关电源，所述电子保险芯片与所述主机端口通过U.2连接器相连，所述电子保险芯片与所述开关电源相连；

所述电子保险芯片用于在主机侧的12V电压供电给所述硬盘转接板后，提供过电压过电流保护；所述开关电源用于将所述电子保险芯片输出的电压转化为所述NVMeSwitch芯片适用电压。

可选的，还包括存储芯片和EEPROM芯片，所述存储芯片和所述 EEPROM芯片均与所述NVMe Switch芯片相连；

所述存储芯片用于存储所述硬件转接板的软件包信息，所述 EEPROM芯片用于存储所述硬件转接板的参数信息，以使所述主机通过IIC总线访问所述EEPROM芯片得到所述硬件转接板的参数信息。

可选的，还包括时钟芯片和时钟发生器，所述时钟芯片、所述时钟发生器均与所述NVMe Switch芯片相连；

所述时钟芯片用于为所述NVMe Switch芯片提供时钟信息；所述时钟发生器用于产生多路时钟，以作为所述NVMe Switch芯片和所述固态硬盘端口的时钟信息。

可选的，还包括多个调试端口。

本实用新型实施例另外一方面提供了一种NVMe SSD虚拟化系统，包括主机、NVMeSSD及如上任意一项所述硬件转接板，所述主机和所述NVMe SSD分别连接在所述硬件转接板的两端。

本实用新型的优点在于，利用NVMe Switch芯片来实现NVMe SSD的SR-IOV功能，保证硬盘转接板后端接的NVMe SSD不管是否支持SR-IOV功能，均可以实现在虚拟机情况下对NVMe SSD进行数据读写的时候接近原生NVMe SSD的性能及延时，从而实现NVME SSD的虚拟化，提升了NVME SSD性能。这种让虚拟机通过虚拟功能设备的功能实现NVMe SSD的物理资源共享，同传统的VirtIO虚拟块设备供虚拟机做存储来比较，通过硬件IO虚拟化的NVMeSSD，可以给用户带来更高的性能和更低的延时，大大提升了用户体验。

在一种可选的实施方式下，NVMe Switch芯片具有RAID功能，硬盘转接板后端连接多个NVMe SSD，多个NVMe SSD构成RAID阵列，从而可实现RAID功能，进一步提升数据可靠性，在不增加用户付费和不提高成本的基础上，大大提升了用户的使用体验。

此外，本实用新型实施例还针对NVMe SSD的硬盘转接板提供了相应的虚拟化系统，所述NVMe SSD虚拟化系统具有相应的优点。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

为了更清楚的说明本实用新型实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的NVMe SSD的硬盘转接板的一种具体实施方式结构图；

图2为本实用新型实施例提供的一种虚拟机访问NVMe SSD的操作流程示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种使用SR-IOV功能后虚拟机访问NVMe SSD的操作流程示意图；

图4为本实用新型实施例提供的NVMe SSD的硬盘转接板的另一种具体实施方式结构图；

图5为本实用新型实施例提供的NVMe SSD的硬盘转接板的再一种具体实施方式结构图；

图6为本实用新型实施例提供的NVMe SSD的硬盘转接板的最后一种具体实施方式结构图；

图7为本实用新型实施例提供的NVMe SSD虚拟化系统的一种具体实施方式结构图；

图8为本实用新型实施例提供的NVMe SSD传统配置示意图；

图9为本实用新型实施例提供的NVMe SSD虚拟化系统的另一种具体实施方式结构图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，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、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

首先参见图1，图1为本实用新型实施例提供的NVMe SSD的硬盘转接板在一种实施方式下的结构示意图，本实用新型实施例可包括以下内容：

NVMe SSD的硬盘转接板0包括NVMe Switch芯片1、主机端口 2和固态硬盘端口3。

其中，NVMe Switch芯片1为具有SR-IOV功能的设备，SR-IOV 可将具有SR-IOV功能的设备定义成为一种外围设备物理功能模块 (PF)并且使之能与主机hypervisor系统直接相互交互信息。PF主要用于在服务器中告诉hypervisor系统关于物理PCI设备运行的状态是否可用。SR-IOV在操作系统层，现在能在所有的外围物理设备PF下，创建不只一个的虚拟功能设备(VFs)。VFs能共享外围设备的物理资源 (像网卡端口或网卡缓存空间)并且与SR-IOV服务器上的虚拟机系统进行关联。SR-IOV能允许一个物理PCIe设备把自身虚拟为多个虚拟 PCIe设备。使用SR-IOV技术，虚拟机系统能经过DMA直接与PCIe 设备一起工作，所以这种方式就不需在经过hypervisor系统时使用虚拟传输接口、虚拟交换机或其它翻译器。SR-IOV直接交互技术在实际使用中的通信性能已经接近非虚拟化水平。

如图2所示，一台虚拟机如果NVMe SSD没有SR-IOV的访问流程，一个IO需要经过9个步骤，其中还需要经过两层协议转换；如图3所示，当使用NVMe Switch构建硬件转接板0时，一个IO只需要经过4个步骤，而且不需要再经过协议转换；从而可以看出，当使用SR-IOV功能时，大大降低了IO的延时，并且可以提升IO性能，由于减少了两层协议转换，因而CPU的资源利用也减少了，有效提升 CPU性能。

在本申请中，硬盘转接板0可通过主机端口2与主机相连，通过固态硬盘端口3可与NVMe SSD相连，固态硬盘端口的3类型与相连的NVMe SSD规格和尺寸相匹配。例如，主机端口2可为PCIe3.0*4 模式的PCIe接口；固态硬盘端口3可为PCIe3.0*4模式的PCIe接口和/或PCIe3.0*8模式的PCIe接口。也就是说，主机和固态硬盘通过硬盘转接板0的PCIe相连接，基于NVMe Switch芯片1为具有SR-IOV 功能的设备，实现固态硬盘的虚拟化。

此外，主机端口2和固态硬盘端口3可设置在NVMe Switch芯片 1的不同侧，也可在NVMe Switch芯片1的同一侧，为了便于主机、固态硬盘以及硬盘转接板的布局，可以将主机端口2和固态硬盘端口 3设置在NVMe Switch芯片1相对的两个侧面上。

为了增强整个硬件转接板的抗摔性能，更好的保护NVMe Switch 芯片1，可将NVMeSwitch芯片1、主机端口2和固态硬盘端口3集成在硅片基底，并设置一个外壳作为保护壳。

在本实用新型实施例提供的技术方案中，利用NVMe Switch芯片来实现NVMe SSD的SR-IOV功能，保证硬盘转接板后端接的NVMe SSD不管是否支持SR-IOV功能，均可以实现在虚拟机情况下对NVMe SSD进行数据读写的时候接近原生NVMe SSD的性能及延时，从而实现NVME SSD的虚拟化，提升了NVME SSD性能。这种让虚拟机通过虚拟功能设备的功能实现NVMe SSD的物理资源共享，同传统的 VirtIO虚拟块设备供虚拟机做存储来比较，通过硬件IO虚拟化的 NVMe SSD，可以给用户带来更高的性能和更低的延时，大大提升了用户体验。

可以理解的是，2.5寸或者3.5寸固态硬盘一般可通过U.2连接器除SAS和SATA之外的管脚连接在主机上。在该实施例中，主机端口 2可通过U.2连接器连接主机，固态硬盘端口3可通过U.2连接器连接NVMe SSD。标准2.5寸盘的尺寸定义：长*宽*厚为 100mm*70mm*15mm/7mm，因而2.5寸NVMe SSD目前常见的形态为 U.2 15mm和U.2 7mm，即两者的长和宽尺寸是相同的，厚度不同。以服务器配置机型2U24为例，其中24指的是存储阵列后端接24个2.5寸硬盘托架；其中硬盘托架一般是用来放2.5寸15mm厚的硬盘。硬盘托架4一般设计的都比硬盘会长一些，如果不加硬盘转接板0的话，中间会有很大一块间隙；利用这个间隙，可以设计一块硬盘转接板0，如图4所示，可将硬盘转接板0设置在硬盘托架4空余间隙的 PCB板上，通过此硬盘转接板0，可以实现其后端不管接哪个厂商的 VNMe SSD均可以实现其SR-IOV功能。

作为一种可选的实施方式，请参阅5所示，图5为硬件转接板0 的两个U2.0连接器内部PCB芯片和连接器之间的一些信号连接关系。 NVMe Switch芯片1可包括EP侧和RC侧两侧，EP侧与主机相连， RC侧与固态硬盘相连。U.2为U.2连接器，在硬盘转接板0连接EP 这侧，是公头的，其连接主机端，连接固态硬盘侧的U.2连接器是母头的，即NVMe Switch芯片1RC侧是连接固态硬盘的。硬件转接板0 还可包括电子保险芯片(图中为12V eFuse)和开关电源DC-DC，电子保险芯片与主机端口1通过U.2连接器相连，电子保险芯片与开关电源相连；电子保险芯片用于在主机侧的12V电压供电给硬盘转接板后，提供过电压过电流保护；开关电源用于将电子保险芯片输出的电压转化为NVMe Switch芯片适用电压。也就是说，电子保险芯片用来保证主机侧的12V电压供电给硬盘转接板0后，可以避免因为一些情况导致的过电压，过电流从而起到保护作用，DC-DC代表可将电子保险芯片输出的12V电压转换成类似1V，1.2V，3.3V，1.8V等供NVMe Switch芯片1使用的电源信号。

可选的，硬件转接板0还可还包括存储芯片和EEPROM芯片，存储芯片例如可如图中所示的SPI Flash，EEPROM芯片例如可如图中所示的VPD。存储芯片、EEPROM芯片均与NVMeSwitch芯片1相连。存储芯片用于存储硬件转接板的软件包信息，EEPROM芯片用于存储硬件转接板的参数信息，以使主机通过IIC总线访问EEPROM芯片得到硬件转接板的参数信息，例如获取硬盘转接板0的批次号、型号等信息。

此外，硬盘转接板0还可包括时钟芯片如图中所示25M Clock和时钟发生器如图中所示Clock Generator。时钟芯片、时钟发生器均与 NVMe Switch芯片1相连；时钟芯片用于为NVMe Switch芯片提供时钟信息；时钟发生器用于产生多路时钟，以作为NVMe Switch芯片1 和固态硬盘端口3的时钟信息。硬件转接板0还可设置调试VMe Switch芯片1的多个调试端口，如图所示的JTAG调试口和Uart调试口。

作为另外一种实施方式，若NVMe Switch芯片1同时还支持RAID 功能，可设置多个固态硬盘端口，这些端口的型号规格可相同，也可不相同，将多个固态硬盘可通过U.2连接器连接在固态硬盘接口上从而连接在硬盘转接板0上，多个不同规格的NVMe SSD可构成RAID 阵列，如图6所示为通过两个U.2连接器可连接两个NVMe SSD，例如硬盘转接板0后端除了连接1个U.2 15mm的NVMe SSD，还可以连接1个U.2 7mm或者2个U.2 7mm的NVMe SSD，从而可实现RAID 功能，进一步提升数据可靠性，在不增加用户付费和不提高成本的基础上，大大提升了用户的使用体验。

本申请还针对NVMe SSD的硬盘转接板提供了相应的应用系统，进一步使得所述硬盘转接板更具有实用性。下面对本申请提供的 NVMe SSD虚拟化系统进行介绍，下文描述的NVMe SSD虚拟化系统与上文描述的NVMe SSD的硬盘转接板可相互对应参照，请参阅图7 所示，具体可包括下述内容：

一种NVMe SSD虚拟化系统可包括主机71、NVMe SSD72及硬件转接板0，主机71和NVMe SSD72分别连接在硬件转接板0的两端。硬件转接板0的结构和功能的具体描述可参阅上述任意一个实施例描述，此处，便在赘述。

如图8所示为主机连接单端口NVMe SSD，即通过PCIe3.0*4进行连接，这种配置是服务器上使用的常见配置。通过图7所示在主机与NVMe SSD之间添加一个硬盘转接板，因为这个硬盘转接板可以做的很小，所以其可以放到如图4所示的硬盘托架的PCB的位置；由于服务器每个2.5寸硬盘托架的槽位厚度是15mm以上，因而如果硬盘转接板后面接两个7mm厚的SSD也是可行的。由于硬盘转接板实现了SR-IOV功能，从而让其后面接的NVMe SSD拥有了此功能，故这种配置下的服务器，租户租的主机可以通过虚拟机分配NVMe SSD设备，从而减小了服务器上CPU资源的开销，还实现了性能的提升及延时的降低。

作为另外一种实施方式，若NVMe Switch芯片1同时还支持RAID 功能，可设置多个固态硬盘端口，这些端口的型号规格可相同，也可不相同，将多个固态硬盘可通过U.2连接器连接在固态硬盘接口上从而连接在硬盘转接板0上，多个不同规格的NVMe SSD可构成RAID 阵列，如图9所示通过两个U.2连接器可连接两个NVMe SSD实现 RAID功能，进一步提升数据可靠性。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本实用新型的范围。

以上对本申请所提供的一种NVMe SSD的硬盘转接板及NVMe SSD虚拟化系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种NVMe SSD的硬盘转接板，其特征在于，包括NVMe Switch芯片、主机端口和固态硬盘端口；

其中，所述NVMe Switch芯片为具有SR-IOV功能的设备，硬盘转接板通过所述主机端口与主机相连，通过所述固态硬盘端口与NVMe SSD相连，所述固态硬盘端口的类型与相连的NVMe SSD规格和尺寸相匹配。

2.根据权利要求1所述的NVMe SSD的硬盘转接板，其特征在于，所述NVMe Switch芯片、所述主机端口和所述固态硬盘端口集成在硅片基底上，且所述硬盘转接板设置在硬盘托架的PCB板上。

3.根据权利要求1所述的NVMe SSD的硬盘转接板，其特征在于，所述主机端口为PCIe3.0*4模式的PCIe接口；所述固态硬盘端口为PCIe3.0*4模式的PCIe接口和/或PCIe3.0*8模式的PCIe接口。

4.根据权利要求3所述的NVMe SSD的硬盘转接板，其特征在于，所述主机端口通过U.2连接器连接所述主机，所述固态硬盘端口通过所述U.2连接器连接所述NVMe SSD；且所述主机端口和所述固态硬盘端口设置在相对的两个侧面上。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的NVMe SSD的硬盘转接板，其特征在于，所述NVMeSwitch芯片支持RAID功能，所述固态硬盘端口为多个，以使所述硬盘转接板连接多个不同规格的NVMe SSD构成RAID阵列。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的NVMe SSD的硬盘转接板，其特征在于，还包括电子保险芯片和开关电源，所述电子保险芯片与所述主机端口通过U.2连接器相连，所述电子保险芯片与所述开关电源相连；

所述电子保险芯片用于在主机侧的12V电压供电给所述硬盘转接板后，提供过电压过电流保护；所述开关电源用于将所述电子保险芯片输出的电压转化为所述NVMe Switch芯片适用电压。

7.根据权利要求6所述的NVMe SSD的硬盘转接板，其特征在于，还包括存储芯片和EEPROM芯片，所述存储芯片和所述EEPROM 芯片均与所述NVMe Switch芯片相连；

所述存储芯片用于存储所述硬盘转接板的软件包信息，所述EEPROM芯片用于存储所述硬盘转接板的参数信息，以使所述主机通过IIC总线访问所述EEPROM芯片得到所述硬盘转接板的参数信息。

8.根据权利要求7所述的NVMe SSD的硬盘转接板，其特征在于，还包括时钟芯片和时钟发生器，所述时钟芯片、所述时钟发生器均与所述NVMe Switch芯片相连；

所述时钟芯片用于为所述NVMe Switch芯片提供时钟信息；所述时钟发生器用于产生多路时钟，以作为所述NVMe Switch芯片和所述固态硬盘端口的时钟信息。

9.根据权利要求8所述的NVMe SSD的硬盘转接板，其特征在于，还包括多个调试端口。

10.一种NVMe SSD虚拟化系统，其特征在于，包括主机、NVMe SSD及如权利要求1-9任意一项所述硬盘转接板，所述主机和所述NVMe SSD分别连接在所述硬盘转接板的两端。

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