4.内存数据结构

4.1 SQ与CQ的详细定义

这里的SQ与CQ都是循环队列。

4.1.1 空队列

4.1.2 满队列

判断队列满可以有多种方法，协议中规定的是头指针比尾指针大一，所以队列满时，空余一个元素。

4.1.3 队列性质

1. 队列大小有16bit，最小队列大小为2个元素（因为满队列的定义方式，所以最小为2个元素），对于I/O队列，最大队列大小为64k；对于Admin队列，最大队列为4k；
2. QID来标识唯一ID，16bit，由host分配；
3. host可以修改队列优先级（如果支持的话），共四级，U、H、M、L；

4.2 仲裁机制

4.2.1 RR

RR仲裁，Admin SQ与I/O SQ优先级相同，控制器每次可以选择一个队列中的多个命令（Arbitration Burst setting）。

带有优先权的RR

有3个严格的优先权，Priority1 > Priority2 > Priority3，在这三个优先级队列中，高优先级的队列中如果有命令，则优先执行（非抢占式）。

4.2.3 其他仲裁方式

Vendor Specific。

4.3 数据寻址方式（PRP和SGL）

4.3.1 PRP

NVMe把Host的内存分为页的集合，页的大小在CC寄存器中配置，PRP是一个64位的内存物理地址指针，结构如下：
最后两位为0，指四字节对齐；（n：2）位表示页内内偏移。
举个例子，内存页大小位4KB，则（11：2）表示页内偏移。
PRP寻址有两种方式，直接用PRP指针寻址，通过PRP List寻址。当使用PRP List寻址时，偏移必须为0h，每一个PRP条目表示一个内存页，如下：
Admin命令的数据地址只能采取PRP的方式，I/O命令的数据地址既可以采取PRP的方式，又可以采取SGL的方式。Host在命令中会告诉Controller采用何种方式。具体来说，如果命令当中DW0[15：14]是0，就是PRP的方式，否则就是SGL的方式。
命令的Dword6~Dword9只定义了PRP1、PRP2两个数据指针，通过PRP条目可以指向PRP List。如下图：

在上面的例子中，PRP1直接指向内存页，PRP2指向PRP List存在的地址，在PRP List中存有数据的真正的地址。

4.3.2 SGL

SGL是另外一种索引内存的数据结构。SGL由若干个SGL段组成，SGL段又由若干个SGL描述符组成，所以SGL描述符是SGL数据结构的基本单位。
目前定义的SGL描述符有6种：

1. SGL 数据描述符，用来索引数据块地址，host内存；
2. SGL 垃圾数据描述符，用来索引无用数据；
3. SGL 段描述符，用来索引下一个SGL段；
4. SGL 最后一个段描述符，用来索引最后一个SGL段；
5. keyed SGL 数据描述符；
6. Transport SGL 数据描述符；

在上面SGL例子中，共有3个SGL段，用到了4种SGL描述符。Host需要往SSD中读取13KB的数据，其中真正只需要11KB数据，这11KB的数据需要放到3个大小不同的内存中，分别是：3KB，4KB和4KB。

4.3.3 比较PRP与SGL

无论是PRP还是SGL，本质都是描述内存中的一段数据空间，这段数据空间在物理上可能连续的，也可能是不连续的。Host在命令中设置好PRP或者SGL，告诉Controller数据源在内存的什么位置，或者从闪存上读取的数据应该放到内存的什么位置。

SGL和PRP本质的区别在于，一段数据空间，对PRP来说，它只能映射到一个个物理页，而对SGL来说，它可以映射到任意大小的连续物理空间，具有更大的灵活性，也能够描述更大的数据空间。如下图：