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我们上一节对NVME协议进行了一个简单的了解，现在我们具体分析NVME内部使用的命令。
NVME的两种命令
NVMe 制定了主机与 SSD 之间通信的命令，以及命令的执行方式。
NVMe 有两种命令，一种叫 Admin 命令，用于帮主机管理和控制 SSD；另外一种就是 I/O 命令，用于在主机和 SSD 之间传输数据，NVMe 支持的 Admin 命令如下所示。
跟 ATA 规范中定义的命令相比，NVMe 的命令个数少了很多，它完全是为 SSD 量身定制的。在 SATA 时代，即使只有 HDD 才需要的命令（SSD 上其实完全没有必要），但为了符合协议标准，SSD 还是需要实现它（完全只是为了兼容性）。NVMe 让 SSD 摆脱了这种困境。
NVME通信使用的三大队列
相较于AHCI，NVME对于命令的发送和接收过程做了很多大的改进。NVMe 使用三个基本的队列：Submission Queue（SQ，提交队列）、Completion Queue（CQ，完成队列）和 DoorBell register（DB，门铃队列）。SQ 和 CQ 位于主机的内存中，DB 则位于 SSD 的控制器内部，如下图所示。
如上图所示，SSD 作为一个 PCIe Endpoint（PCIe 终端，简称 EP）通过 PCIe 连着 RC，然后 RC 连接着 CPU 和内存。尽管 CPU 不直接与 SSD 交互，但SSD 的地位还是较过去提升了一级，过去 SSD 别说直接接触 CPU，就是连 RC 的面都见不到，SSD 和 RC 之间还隔着一座南桥。
三大队列的基本功能：
SQ 位于主机内存中，主机要发送命令时，先把准备好的命令放在 SQ 中，然后通知 SSD 来取；CQ 也是位于主机内存中，一个命令执行完成，无论成功还是失败，SSD 总会往 CQ 中写入命令回复主机完成状态。
主机发送命令时，不是直接往 SSD 中发送命令，而是把命令准备好放在自己的内存中，通过写 SSD 端的 DB 来告知 SSD 的。
我们来看看 NVMe 是如何处理命令的，
第一步，主机写命令到 SQ；
第二步，主机写 SQ 的 DB，通知 SSD 取指；
第三步，SSD 收到通知后，到 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，SSD 发中断通知主机指令完成；
第七步，收到中断，主机处理 CQ，查看指令完成状态；
第八步，主机处理完 CQ 中的指令执行结果，通过 DB 回复 SSD。
主机往 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，也可以是多对一的，但不管怎样，它们是成对的：有因就有果，有 SQ 就必然有 CQ。
对于 Admin 命令 和 I/O 命令，它们各有自己的 SQ 和 CQ 队列。Admin SQ/CQ 和 I/O SQ/CQ 各司其职，不能把 Admin 命令放到 I/O SQ 中，同样也不能把 I/O 命令放到 Admin SQ 里面。I/O SQ/CQ 不是一生下来就有的，它们是通过 Admin 命令创建的。
系统中只能有 1 对 Admin SQ/CQ，它们是一一对应的关系；I/O SQ/CQ 却可以多达 65 535 对（64K 减去 1 对 Admin SQ/CQ）。
主机端每个 CPU 核（Core）可以有一个或者多个 SQ，但只有一个 CQ。因为性能有需求，一个 CPU 核中有多线程，可以做到一个线程独享一个 SQ；二是 QoS 有需求。这取决于系统配置和性能需求，可灵活设置 I/O SQ 个数。
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 来说，深度可以是 2 ~ 65 536（64K）。在主机中，SQ/CQ 的个数和深度是可以灵活配置的。
每个 SQ 放入的是命令条目，无论是 Admin 还是 I/O 命令，每个命令的条目大小都是 64B；每个 CQ 放入的是命令完成状态信息条目，每个条目大小是 16B。
总结：
SQ 用于主机发送命令，CQ 用于 SSD 回复命令完成状态；
SQ/CQ 可以在主机的内存中，也可以在 SSD 中，但一般在主机内存中（本书中除非特殊说明，不然都是基于 SQ/CQ 在主机内存中进行介绍）；
Admin 和 I/O 两种类型的 SQ/CQ，前者发送 Admin 命令，后者发送 I/O 命令；
系统中只能有一对 Admin SQ/CQ，但可以有很多对 I/O SQ/CQ；
I/O SQ 与 CQ 可以是一对一的关系，也可以是多对一的关系；
可以赋予 I/O SQ 不同优先级的；
I/O SQ/CQ 深度可达 64K，Admin SQ/CQ 深度可达 4K；
I/O SQ/CQ 的广度和深度都可以灵活配置；
每条命令是 64B，每条命令完成状态是 16B。
SQ/IQ 队列结构
队伍头部的部分表示正在被服务或者等待被服务，一旦其服务完成，就会离开队伍。尾部决定了新来的人站的位置。DB 就是用来记录一个 SQ 或者 CQ 的头和尾。每个 SQ 或者 CQ 都有两个对应的 DB——Head DB（头部 DB）和 Tail DB（尾部 DB）。DB 是 SSD 端的寄存器，记录 SQ 和 CQ 的头和尾巴的位置。
如下图所示是一个队列生产者 / 消费者（Producer/Consumer）模型。生产者往队列的尾部写入东西，消费者从队列的头部取出东西。对一个 SQ 来说，它的生产者是主机，因为它向 SQ 的尾部写入命令，消费者是 SSD，因为它从 SQ 的头部取出指令并执行；对一个 CQ 来说，刚好相反，生产者是 SSD，因为它向 CQ 的尾部写入命令完成信息，消费者则是主机，它从 CQ 的头部取出命令完成信息。
发送演示
主机向SSD发送消息
1）开始假设 SQ1 和 CQ1 是空的，Head = Tail = 0。
2）这个时候，主机往 SQ1 中写入了 3 条命令，SQ1 的 Tail 变成 3。主机往 SQ1 写入 3 条命令后，然后更新 SSD 控制器端的 SQ1 Tail DB 寄存器的值为 3。主机更新这个寄存器的同时，也是在告诉 SSD 控制器：有新命令了，去我那里取一下。
3）SSD 控制器收到通知后派人去 SQ1 把 3 条命令都取回来执行。SSD 把 SQ1 的 3 条命令都消耗了，SQ1 的 Head 也调整为 3，SSD 控制器会把这个 Head 值写入本地的 SQ1 Head DB 寄存器。
4）SSD 执行完 2 条命令，于是往 CQ1 中写入 2 条命令完成信息，将 CQ1 对应的 Tail DB 寄存器的值更新为 2。同时发消息给主机：有命令完成，请注意查看。
5）主机收到 SSD 的短信通知（中断信息），于是从 CQ1 中取出那 2 条完成信息。处理完毕，主机又将 CQ1 Head DB 寄存器中 CQ1 的 Head 值更新为 2。
DB 工作流程
在这其中，我们要特别关注一下DB的工作流程
DB 用于记录 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；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，主机知道，所以 SQ Tail DB 由主机来更新。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 不知道主机处理了多少条命令完成信息，这需要主机告知，因此 CQ Head DB 由主机更新。SSD 根据 CQ 的头和尾，就知道 CQ 还能不能，以及能接受多少命令完成信息。
DB 还起到了通知作用：主机更新 SQ Tail DB 的同时，也是在告知 SSD 有新的命令需要处理；主机更新 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。
返回状态信息
这里有一个对主机不公平的地方：主机对 DB 只能写（还仅限于写 SQ Tail DB 和 CQ Head DB），不能读。在这个限制下，我们看看主机是怎样维护 SQ 和 CQ 的。SQ 的尾部没有问题，主机是生产者，对新命令来说，它清楚自己应该站在队伍的哪个位置。但是头部呢？SSD 在取指的时候，主机对此毫不知情。主机发了取指通知后，它并不清楚 SSD 什么时候去取命令、取了多少命令。
对于这个问题的解决方法是， SSD 往 CQ 中写入命令完成状态信息（16 字节）。
SSD 往 CQ 中写入命令状态信息的同时，还把 SQ Head DB 的信息告知了主机！这样，主机中就有了 SQ 队列的头部和尾部的信息。
对于 CQ ，主机知道它队列的头部，不知道尾部。那怎么能知道尾部呢？思路很简单，还是通过 SSD 返回命令状态信息获取。
具体是这样的：一开始 CQ 中每条命令完成将条目中的 P 位初始化为 0 的工作，SSD 在往 CQ 中写入命令完成条目时，会把 P 写成 1（如果之前该位置为 1，控制器写 CQ 的时候翻转该位，即写 0）。记住一点，CQ 是在主机端的内存中，主机可以检查 CQ 中的所有内容。主机记住上次队列的尾部，然后往下一个一个检查 P，就能得出新的队列尾部了。
最后，对 DB 做个小结：
DB 在 SSD 控制器端是寄存器；
DB 记录着 SQ 和 CQ 队列的头部和尾部；
每个 SQ 或者 CQ 有两个 DB——Head DB 和 Tail DB；
主机只能写 DB，不能读 DB；
主机通过 SSD 往 CQ 中写入的命令完成状态获取队列头部或者尾部。