NVMe固态硬盘性能的救星 究竟有何本领？

　　上一篇文章中，我们提到了SATA接口搭配AHCI主机控制器接口已经无法满足时代对性能的要求，这时PCIe接口与NVMe主机控制器接口这对组合横空出世。

　　那这两种主机控制器接口AHCI与NVMe之间到底差在哪里呢？先看一个表格：

	AHCI	NVMe
Latency	6 us	2.8 us
Maximum queue & queue depth	1 command queue 32 commands per queue	64K queues 64K commands per queue
Uncacheable register access (each consumes 2K cycles)	6 per non-queued command 9 per queued command	2 per command
MSI-X and interrupt steering	Single Interrupt	2K MSI-X Interrupts
Parallelism and multi-thread support	Requires synchronization lock to issue command	No locking, doorbell register per queue
4 KB command efficiency (4 KB critical in client PCs)	Two serialized host DRAM fetches required	One 64 B fetch

　　我们根据上面表格的内容，在六个方面比较一下AHCI与NVMe的分别：

　　1. 延迟：AHCI有6us延迟，但是NVMe的延迟只有2.8us.

　　2. 命令队列：AHCI只有一个命令队列与所有core共享，并且每个队列最大只能放置32个命令，当需要执行的命令很多时，这时就会因为命令执行的等待浪费大量的时间；而NVMe最多可以支持64K个命令队列，每个队列最大包含64K个命令。与NVMe相比，AHCI真的弱爆了。

　　3. 寄存器：AHCI配备了很多个寄存器，如果是NCQ本征命令队列，AHCI需要9个读写寄存器，如果命令操作是非NCQ操作，则需要6个读写寄存器。 相比之下，NVMe只需要2个寄存器即可完成命令的读写周期。AHCI过多寄存器的访问开销会造成大量的延迟，这也是为什么SATA硬盘执行命令较慢的原因。但是，随着具有低延迟特点的PCIe固态硬盘的出现，搭配NVMe可以完美搞定这个问题。

　　4. 中断：AHCI支持一个中断向量，而NVMe最大可以支持2K MSI-X中断向量，提升了响应的速度。

　　5. 平行性：AHCI要求有同步时钟触发命令，而NVMe只需要触发每个队列的寄存器即可。

　　6. 4KB命令效率：AHCI需要两块串行内存读取，而NVMe一次可以取出64个字节。

　　不过，AHCI和NVMe虽然都支持并行性，但是由于不一样的规划目标造成了他们提供的方式的不一样。其中，NVMe通过采用系统多个IO路径的内核实现PCIe固态硬盘的并行性。NVMe驱动程序会在主机和设备之间配对Submission Queue和Completion Queue, 主控的每个core都会被分配对应的Submission Queue和Completion Queue, 主机和设备之间也是基于队列内容进行数据交互。

　　NVMe协议中的队列主要分为两种：Submission Queue(SQ)和Completion Queue(CQ)。如下图，多个SQ对应一个CQ，也就是说多个独立IO队列中的命令执行后，执行状态在同一个CQ队列中反馈。在这里，终端用户系统上的常见使用程序可以基于每个core建立并行操作，这样做的好处是可以减少中断次数。