背景介绍
NVMe协议固态硬盘的速度随所使用的PCIe协议不同而不同。NVMe固态硬盘在PCIe Gen2、Gen3、Gen4条件下，理论有效带宽分别为2GB/s、3.938GB/s、7.877GB/s。目前，基于PCIe Gen5的NVMe SSD在2023年已发布，其理论有效带宽为17.754GB/s。
在之前的帖子中，我们介绍了一个在PCIe3.0协议下的基于FPGA PL的纯逻辑NVMe Host IP（FPGA实现高带宽NVMeSSD读写——纯逻辑实现-CSDN博客），速度可以达到3GB/s，并进一步将其拓展至双路NVMe从而使系统可以同时对两个NVMe硬盘进行读写，速度达到了6GB/s。基于FPGA的技术框架中，AMD（Xilinx）公司只有在其最高端的UltraScale+世代中的Virtex系列的高端器件才提供PCIe 4.0协议的PHY，对应的开发板为型号为VCU128。囿于缺少该板卡，我们还没法进行基于PCIe4.0的NVMe IP的速度测试。
NVMe IP最早的版本是2021年6月发布的基于FPGA Zynq 系列中的PS资源而建的系统（FPGA实现高带宽NVMe SSD读写_fpga nvme ssd-CSDN博客）。在这期间，有不少业界朋友和我们联系，咨询不需要特别高速度的应用中，基于PCIe 2.0和PCIe 1.0协议的NVMe IP性能如何。理论上高版本适配的情况下跑低速协议是适配的，但是没有人会在高性能平台上去做低速的实现，浪费平台性能。本着求实探真的原则，本文中我们对IP进行了适度调整，测试了NVMe IP在PCIe2.0和PCIe1.0协议下的性能。所以本文的测试结果可以客观的反映NVMe IP在Xilinx早期的低速平台上的实际性能。
本NVMe IP的系统框架在之前的帖子中已经介绍过，本篇不再赘述，有兴趣的朋友可以通过我的全部帖子列表（https://blog.csdn.net/weixin_42166371?type=blog）翻看前文。
测试方案
本文的测试内容主要为NVMe IP在PCIe2.0和PCIe1.0协议下的性能，因此选用的主要测试平台是与协议适配的对应Xilinx ZC706，VC707开发板以及FMC接口的NVMe扩展子卡。同时测试高性能平台ZCU106（PCIe 3.0）上IP降速到PCIe 2.0的性能以作为对比。
测试方法与之前的测试相似，使用1000GB的数据，实时测试每个1GB数据的读写性能。
测试平台
系统的开发及测试都是基于Xilinx官方开发板和FMC NVMe SSD转接卡组成。开发板包括ZCU106，ZC706，VC707，其中ZCU106是我们之前使用调试的板子，其支持2路PCIe 3.0，而ZC706和VC707均不支持PCIe 3.0，ZC706支持2路PCIe 2.0，VC707只支持1路PCIe 2.0。根据之前的测试结果，本次实验选用较为稳定性能较好的三星980Pro，同时也是为了验证在较低速度下980Pro的速度是否还会再次变化。
测试结果
单路NVMe测试
VC707和ZC706平台下测得的读写盘速度都是相近的。从图中可以看出，在PCIe2.0下，单盘的读盘速度约为1.4GB/s，写盘速度则是约为1.2GB/s。三星980Pro的写盘速度没有像PCIe 3.0下的速度跌落，始终保持较为稳定的速度。NVMe协议的固态硬盘在PCIe Gen2 4x理论有效带宽为2GB/s，而我们NVMe IP最高速度达到了1.4GB/s，达到了理论带宽的70%。由于协议中存在物理层编码开销、Packet Non-Payload 开销、TLP 间隔开销以及ACK 与流控开销，我们认为70%的效率已经是一个比较高的数值了。
同样我们用VC707和ZC706平台进行了PCIe 1.0的测试，VC707和ZC706的读盘速度均约为820MB/s，写盘速度均约为780MB/s。NVMe协议的固态硬盘在PCIe Gen1 4x理论有效带宽为1GB/s，读盘的有效带宽已达到了理论带宽的82%，这个数据让人十分惊喜。
双路NVMe测试
根据Xilinx的官方手册，VC707只支持一路PCIe 2.0链接，ZC706支持两路PCIe2.0链接，因此我们只使用了ZC706进行双路NVMe测试。
ZC706平台下的双路PCIe2.0 NVMe系统读写盘速度如图所示。从图中可以看出，双盘的读盘速度约为2.0GB/s，写盘速度则是约为1.8GB/s，这个速度与预期不符（读盘期望值为2.8GB/s左右）。经过一系列测试及查证，发现虽然我们设置的是两路PCIe 2.0，但系统将其自动配置为一路PCIe 2.0和一路PCIe 1.0，总的速度也与两种协议下单路PCIe的速度叠加接近，我们认为这可能是PCIe PHY IP的问题。
高速平台PCIe2.0测试
ZC706平台下的双路PCIe2.0 NVMe测试的意外结果给了我们带来一个疑问，如果使用ZCU106，用其支持的两路PCIe 3.0，对其进行降速到PCIe 2.0，运行出来的结果是什么样子？会不会也出现类似的协议变化的现象？为此我们使用ZCU106分别进行单路PCIe2.0 NVMe和双路PCIe2.0 NVMe的测试。为了简化测试，我们仅进行了PCIe2.0 NVMe读数据的性能测试。
单路NVMe测试中，读盘的速度达到了1.5GB/s，这个速度比基于VC707/ZC706平台的1.4GB/s要快一些；在双路NVMe测速中，读盘的速度达到了2.9GB/s，没有出现协议降档的情况（一路PCIe2.0，一路PCIe1.0）。
对于ZCU106平台的PCIe2.0 NVMe速度快于VC707/ZC706平台的PCIe2.0 NVMe，我们认为主要有两个原因，第一是ZCU106系统使用的硬件与VC707/ZC706有一定差异。例如在ZCU106的板子上使用的DDR4，其时钟是300MHz，而在VC707/ZC706上使用的是DDR3，其时钟是200MHz，这使得IP在与DDR传输时的速度不同；第二，由于PCIe 3.0相较于PCIe 2.0已经有一定的协议更新，物理通路相较于传统PCIe 2.0已经有一定提升，因此在支持PCIe3.0的ZCU106上跑PCIe 2.0的速度会比只支持PCIe 2.0的两个板子速度略快。
结语
我们设计的FPGA纯逻辑实现的高带宽NVMe SSD读写的IP同样可以适用于PCIe 2.0和PCIe 1.0的协议标准，其速度可达1.4GB/s及820MB/s，且效率分别达到了70%和83%，这已经比较接近Xilinx平台的最大速度，这同时也证明了我们的IP的适用性。最后的测试结果也表明，我们最初的考虑是有道理的。将高版本的IP在低速协议上可以适配，但是不一定是低速协议实际的速度。
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声明
在本文的结尾，我们做如下声明：本次的测试仅仅是作为与该领域感兴趣的朋友交流之用。由于测试环境受限，有的硬盘的速度可能并没有达到该盘的最大值，测试结果仅代表我们在此次实验中的测试结果，不代表盘的最优性能。我们仅对某款型号的某块盘，基于FPGA平台，用自己的测试程序做了统一的、无差别的测试而得到了结果。我们仅对我们的方法及所用的盘负责，保证不出现虚假或是伪造的结果。但不是对市场上所有的该型号或类似的产品性能做出推断或推论。本文的数据发布出来，仅供大家参考。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-851275.html
到了这里，关于FPGA实现的PCIe2.0与PCIe1.0 NVMe IP性能测试的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！
