NVMe的全称是“Non-Volatile Memory Express”，即非易失性存储器快速通道。它是一种用于连接计算机系统与闪存存储设备（如固态硬盘）之间的通信协议和接口标准。NVMExpress（NVM Express，简称NVMe）是一种行业标准的协议和接口规范，用于实现计算机系统与非易失性存储设备（如固态硬盘）之间的高性能、低延迟通信。

 

 

NVMe（Non-Volatile Memory Express）**是一个为现代存储设备（如固态硬盘、闪存）设计的高性能存储协议，它使用 PCIe（Peripheral Component Interconnect Express） 总线与系统进行通信。NVMe协议的目的是提供更低的延迟、更高的吞吐量和更强的并发能力，尤其适用于固态硬盘（SSD）。以下是 NVMe 标准发展过程中的主要时间线：

1. NVMe的初步构想与标准化（2009年 - 2012年）

  • 2009年：

    • NVMe的概念和标准化工作开始，由 NVMe工作组（由主要的硬件公司如英特尔、三星、美光等组成）发起。目的是为了解决传统的 SATA 和 AHCI 接口在支持闪存技术（尤其是PCIe SSD）时的性能瓶颈。基于PCIe总线的设计使得NVMe能够充分发挥闪存的高性能潜力。

  • 2011年：

    • NVMe 1.0版本发布。这个版本定义了一个新的存储协议，专为闪存设备设计，优化了在PCIe总线上传输数据的方式。NVMe协议通过减少与CPU的交互和内存延迟，大幅提升了存储性能，尤其是对于数据并行处理和低延迟操作。

  • 2012年：

    • NVMe 1.1 发布，主要对1.0版本进行了一些增强和改进，使得该协议更加稳定且易于实施，同时还增加了一些新的特性，如热插拔支持等。

2. NVMe的普及与市场应用（2013年 - 2015年）

  • 2013年：

    • NVMe协议逐渐被硬件厂商采纳，越来越多的 PCIe SSD 开始使用NVMe协议。这些设备的性能开始大幅超越传统的SATA接口硬盘，特别是在吞吐量和低延迟的应用中表现突出。

  • 2014年：

    • NVMe 1.2版本发布，进一步优化了协议，加入了更多对企业级应用的支持。该版本还加强了对多队列和队列深度的支持，使得NVMe在高并发和多任务环境中的表现更为出色。

  • 2015年：

    • NVMe协议得到了更广泛的支持，主要操作系统（如Windows 8.1、Windows 10、Linux）原生支持NVMe驱动程序。此时，NVMe的应用范围已不仅限于高端市场，也逐渐进入消费级市场。

3. NVMe的不断进化与扩展（2016年 - 2020年）

  • 2016年：

    • NVMe 1.3发布，改进了电源管理、错误处理、命令集等方面。NVMe在数据中心和企业级存储中获得了更广泛的应用，特别是在需要极高数据吞吐量的应用场景中，如高频交易、大数据分析等。

  • 2017年：

    • 随着PCIe 3.0的普及，NVMe协议的存储设备开始获得更高的带宽，性能进一步提升。同时，NVMe over Fabrics（NVMe-oF） 技术开始得到推广，这使得NVMe协议可以通过网络（例如以太网、InfiniBand）实现远程存储设备的高速访问。

  • 2018年：

    • NVMe 1.3a发布，主要修正了一些规范，并增加了对更高性能存储设备的支持，进一步推动了NVMe在企业级存储和数据中心中的应用。

  • 2019年：

    • NVMe 1.4版本发布，带来了显著的性能提升和优化，支持更多的硬件设备，特别是对于更高并发处理和低延迟操作的支持。同时，NVMe开始与 NAND闪存 和 3D XPoint 存储技术等更先进的存储介质相结合，进一步提高了存储设备的性能。

4. PCIe 4.0和PCIe 5.0时代（2020年 - 2025年）

  • 2020年：

    • PCIe 4.0标准发布，提供更高的带宽（16 GT/s每通道），这意味着NVMe 1.4协议的设备可以在带宽上获得进一步提升，支持更快的数据传输速率。许多新一代NVMe SSD开始支持PCIe 4.0，提供更快的读写性能。

  • 2021年：

    • NVMe 1.4a发布，进一步优化了对PCIe 4.0设备的支持，并增加了更多针对企业级存储和数据中心应用的特性。PCIe 4.0 NVMe SSD开始成为高性能计算、游戏以及大数据应用的标准存储解决方案。

  • 2022年：

    • PCIe 5.0标准发布，带来更高的带宽（32 GT/s每通道），进一步推动了NVMe存储设备的性能提升，尤其是在大规模数据中心和企业级应用中，带宽需求急剧上升。

  • 2023年：

    • NVMe 2.0发布。该版本为整个NVMe生态系统带来了重大的变化，新增了对 NVMe-oF 和 NVMe-MI（管理接口）技术的支持，为数据中心和企业级存储提供了更强的扩展性和管理功能。随着 PCIe 5.0 和 PCIe 6.0的发展，NVMe 2.0为存储设备提供了更加稳定和高效的支持。

5. NVMe的发展趋势与未来展望（2024年 - 2025年）

  • 2024年 - 2025年：
    • PCIe 6.0标准预计将推出，进一步提供更高的带宽（64 GT/s每通道）。NVMe设备将能够利用PCIe 6.0的带宽，支持更大规模的存储需求和更高性能的计算要求。未来，NVMe将成为所有存储设备，尤其是在数据中心、企业存储和高性能计算领域的标准协议。

 时间线：

  • 2009年 - 2012年：NVMe协议开始构思并发布1.0版本，目标是替代传统SATA接口，提供更高性能和更低延迟。
  • 2013年 - 2015年：NVMe逐渐被硬件厂商和操作系统支持，开始进入消费级市场，逐步取代传统的SATA SSD。
  • 2016年 - 2020年：NVMe协议继续更新和优化，支持更高带宽的 PCIe 3.0 和 PCIe 4.0。开始大规模应用于企业级存储和数据中心。
  • 2021年 - 2025年：随着 PCIe 5.0 和 PCIe 6.0的推出，NVMe将支持更高的带宽和性能，进一步巩固其在高性能存储领域的主导地位。

 NVMe协议从诞生至今已经成为现代存储技术的核心，尤其是在PCIe接口的加持下，NVMe为固态硬盘（SSD）提供了前所未有的性能提升。随着数据传输需求的不断增加，NVMe将继续演进，成为未来存储设备的标准协议。

NVMe（Non-Volatile Memory Express）**标准存储协议的完整逻辑链可以从协议的背景、设计理念、核心技术和各个层级的实现来梳理。下面是NVMe标准存储协议的完整逻辑链，包括从硬件到软件的各个方面。

1. 背景与动机

  • 闪存存储的崛起： 随着固态硬盘（SSD）基于闪存（NAND Flash）的普及，传统的存储协议（如SATA和AHCI）无法充分利用闪存的性能优势。SATA和AHCI协议设计时主要考虑机械硬盘（HDD）的需求，造成了存储设备的性能瓶颈，尤其是在高并发、低延迟和高吞吐量的应用场景中。

  • PCIe总线的优势： 随着**PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）**总线的普及，具有更高带宽和更低延迟的存储设备需求逐步增加。为了发挥PCIe的高带宽，新的存储协议必须具有更高的并行性和更低的延迟。

  • NVMe协议的设计目标： NVMe的设计目标就是为了充分利用闪存和PCIe的优势，减少延迟、提升并发性能并支持高吞吐量应用，最终推动数据存储技术的升级。

2. NVMe协议的基本架构

NVMe的架构分为多个层级，每个层级实现了不同的功能，确保高效的数据传输和处理。

2.1 硬件层（Physical Layer）

  • 物理接口（PCIe）：NVMe通过PCIe总线连接到计算机系统。PCIe提供高带宽、低延迟和并行通信通道，是NVMe协议的基础。

  • 存储介质（NAND Flash等）：NVMe设备通常使用NAND闪存作为存储介质，也可以使用其他非易失性存储技术（如3D XPoint等）。这些存储介质提供了高性能的随机读写能力。

2.2 控制器层（Controller Layer）

  • NVMe控制器：控制器负责管理存储介质与系统之间的数据交互。NVMe控制器将存储命令转换为设备能够理解的格式，并负责处理数据的读写操作。

  • 多队列与并行处理：NVMe控制器支持多队列和深度队列（最多64K队列，每队列最多64K条命令），支持并发操作，极大提高了I/O处理效率。

2.3 软件层（Software Layer）

  • 驱动程序（Driver）：操作系统需要为NVMe设备提供相应的驱动程序。驱动程序使操作系统能够通过标准接口与硬件设备进行通信，并向设备发送存储请求。

  • 操作系统支持：为了更好地支持NVMe协议，现代操作系统（如Windows、Linux等）都原生支持NVMe驱动，能高效管理多队列并发存储操作。

  • 协议层（NVMe Command Set）：NVMe命令集定义了不同的存储命令，如读取、写入、数据迁移等操作。这些命令支持低延迟和高并发的处理，使得存储设备可以在更短的时间内完成更多操作。

2.4 数据传输层（Data Transfer Layer）

  • NVMe传输协议：NVMe传输协议采用了块设备的标准协议，使用标准的读/写命令来进行数据传输，支持高效的数据传输路径和直接内存访问（DMA）。

  • 数据流管理：数据流通过PCIe总线进行传输，采用DMA技术，减少了CPU的干预，从而降低了延迟和提升了数据吞吐量。

3. NVMe的关键特性

3.1 高并发性能

  • NVMe支持多个I/O队列（最多64K个队列）和每个队列最多64K条命令。这使得它能够在高并发环境下保持高性能。

  • 比起SATA或SAS，NVMe的I/O队列深度显著提升，能够更高效地处理大规模的数据并发请求。

3.2 低延迟

  • NVMe协议的低延迟是其重要特性之一。通过减少与CPU的交互、直接利用内存和PCIe总线的高速连接，NVMe显著降低了数据传输的延迟。

3.3 高吞吐量

  • NVMe充分利用PCIe总线的带宽（例如PCIe 3.0提供的每通道8GT/s的带宽）来实现大规模的数据传输。PCIe 4.0和PCIe 5.0进一步提供了更高的带宽，支撑着更高性能的存储设备。

3.4 能效与电源管理

  • NVMe协议具备优化的电源管理功能，例如支持设备的待机模式、休眠模式等，以减少功耗，尤其是在移动设备中具有重要意义。

4. NVMe的扩展与发展

4.1 NVMe over Fabrics（NVMe-oF）

  • NVMe-oF技术允许NVMe设备通过网络进行连接，使得远程存储设备也能享受NVMe的性能。它可以通过InfiniBand、以太网等多种网络协议实现，并广泛应用于高性能计算和数据中心领域。

4.2 NVMe-MI（Management Interface）

  • NVMe-MI是一个管理接口，使得用户能够通过标准化的接口对存储设备进行远程管理，实时获取设备的状态信息、性能指标等。

4.3 进阶协议与标准

  • 随着数据存储需求的不断增长，NVMe标准不断扩展。例如，NVMe 1.4和NVMe 2.0引入了更多的功能和优化，以便更好地适应现代存储系统的要求。

4.4 高性能与企业级存储

  • NVMe特别适用于大数据分析、人工智能、云计算等需要大量存储吞吐量和低延迟的应用。数据中心和企业级存储系统广泛采用NVMe技术，支持高效的存储解决方案。

5. NVMe的演化与未来

  • 随着PCIe 5.0和PCIe 6.0的推出，NVMe协议的性能将进一步提升，支持更高的带宽和更低的延迟。这使得NVMe将成为存储设备的标准协议，尤其是在高速计算和数据处理领域。

  • NVMe将继续向数据中心、高性能计算和超大规模存储系统扩展，并结合更先进的存储介质（如3D NAND、QLC NAND、3D XPoint等）为用户提供极致的存储性能。

NVMe标准存储协议从硬件到软件层面形成了一个完整的逻辑链。它通过优化硬件接口、存储命令、驱动程序和数据传输路径，解决了传统存储协议在面对现代闪存和高性能存储需求时的局限性。NVMe协议的核心优势在于低延迟、高吞吐量和高并发处理能力，使得它成为现代存储技术的基石。随着技术的不断发展，NVMe协议也在不断拓展应用领域，支持更多的高性能和企业级存储需求。

NVMe的全称是“Non-Volatile Memory Express”，即非易失性存储器快速通道。它是一种用于连接计算机系统与闪存存储设备（如固态硬盘）之间的通信协议和接口标准。NVMe旨在提供高性能、低延迟和高并发性能，以优化闪存存储器的使用。相比于传统的SATA接口，NVMe能够更好地发挥固态硬盘的潜力，并提供更快的数据传输速度和更低的延迟。
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NVMExpress（NVM Express，简称NVMe）是一种行业标准的协议和接口规范，用于实现计算机系统与非易失性存储设备（如固态硬盘）之间的高性能、低延迟通信。

NVMe利用高速串行计算机扩展总线（PCIe）进行数据传输，以提供更高效、直接的存储设备与CPU之间的连接。相比传统的存储接口如SATA，NVMe大幅提高了数据传输速度，降低了延迟。

NVMe协议支持更多的每秒输入/输出操作（IOPS），实现更快的数据访问速度和整体系统性能提升。它还包括多个输入/输出队列、命令并行处理和高效的功耗管理等特性。

使用NVMe需要满足以下条件：

**系统支持NVMe**：确保主板、芯片组和BIOS能够支持NVMe设备。现代的计算机系统通常会提供对NVMe的支持。
**使用NVMe设备**：购买一块符合NVMe规范的固态硬盘，并将其安装在计算机中。这些设备通常以M.2或U.2接口的形式出现。
**安装驱动程序**：有些操作系统可能需要安装特定的NVMe驱动程序才能正常识别和使用NVMe设备。大多数现代操作系统（如Windows 10、macOS、Linux等）已经内置了对NVMe的驱动支持。
使用NVMe设备时，一般的步骤如下：

确保计算机已经正确安装了NVMe设备。
启动计算机，并确保操作系统能够识别并正确驱动这些设备。
根据需要，将NVMe设备分区或格式化。
可以像使用其他存储设备一样，通过文件资源管理器或命令行终端访问和管理NVMe设备。
注意在使用NVMe设备时，及时进行数据备份以防止意外数据丢失。
总之，NVMExpress（NVMe）是一种高性能、低延迟的存储设备与计算机系统之间通信的标准规范。要使用NVMe，需要确保计算机系统支持NVMe，并安装正确的驱动程序。然后，可以像使用其他存储设备一样，访问和管理NVMe设备。


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NVMe协议的不同版本带来了一系列的功能更新和改进。下面是几个主要的NVMe协议版本及其功能更新的简要介绍：

NVMe 1.0：

基本功能：最初的NVMe规范，提供高性能、低延迟的存储访问接口。
特点：支持多线程命令处理、多个命令队列和映射等功能。
NVMe 1.1：

增加了一些新功能和改进：
杂项命令：引入了Miscellaneous Commands，允许进行设备重置和自我诊断等操作。
自适应功耗管理：支持功耗优化，以提高设备的节能性能。
NVMe 1.2：

引入了几项重要的新功能：
名称空间管理：允许创建、删除和管理命名空间。
带宽盲区通知：提供了对带宽盲区事件的通知能力。
混杂命令警告：用于向主机报告在处理命令时发现的异常情况。
NVMe 1.3：

主要功能更新包括：
周期性性能更新：引入了命令中的运行时更新，使主机可以更新设备的性能特性。
带宽盲区优化：通过提供更多的带宽应用情况信息来改进带宽盲区通知。
增强的安全性：引入了数据加密和保护功能，包括命名空间级的加密和身份验证。
NVMe 1.4：

包含了以下一些重要的新增功能：
带宽聚合：支持多个NVMe设备共享一个PCIe带宽以提高总体性能。
名称空间容错：引入了名称空间的冗余机制，以在设备故障时提供恢复和持久性。
可管理性增强：提供了更丰富的设备诊断和管理功能。

NVMe 1.4.1：

对NVMe 1.4的补充和修订版，增加了一些新功能和修复了一些问题。
引入了对命名空间资源的管理改进，允许动态分配和释放命名空间。
添加了对自适应功耗管理的更新，包括新增的功耗管理状态和命令。
NVMe 1.4.2：

对NVMe 1.4.1的补充和修订版，引入了一些更新和修复。
增加了对时间戳特性的支持，用于在命令和错误报告中提供时间信息。
提供了有关链路速度变化的通知能力，支持链接层的动态带宽管理。
NVMe 1.4.3：

是对NVMe 1.4.2的更新版本，包含了一些新功能和修订。
引入了设备监控特性，允许主机获取和记录设备的运行状况信息。
添加了对安全擦除操作的支持，用于确保已删除数据的彻底擦除。

NVMe 2.0：

这是目前最新的NVMe协议版本，于2021年发布。
引入了许多新的功能和增强：
Zoned Namespace：支持按磁盘区域划分的命名空间，提高了存储效率和性能。
IO Determinism：提供一种确定性的I/O执行模式，可预测性能和延迟。
增强的安全性：进一步加强了数据保护和设备身份验证的功能。
增加了对更高速率连接的支持，如PCIe Gen4和PCIe Gen5。
提供了更多的管理和诊断功能，以改善设备的可用性和可维护性。
NVMe 2.0a：

这是对NVMe 2.0的增补版本，在2022年发布。
主要是修复了先前版本中发现的一些问题，并提供了一些小的改进和调整。

除了之前提到的NVMe协议版本，目前还没有其他较新的官方发布的NVMe协议版本。NVMe 2.0是目前最新的版本，于2021年发布，并在2022年进行了一次增补版本（2.0a）。这些版本已经引入了许多新功能、增强和修复。

然而，需要注意的是，随着技术的进步和行业需求的变化，未来可能会有新的NVMe协议版本发布。这些新版本可能会带来更多的功能改进、性能提升以及新的特性。为了获取最新信息，请及时关注NVMe论坛、NVMe规范文档以及相关厂商和组织的官方公告。

posted @ 2023-06-27 02:15  suv789  阅读(1743)  评论(0)    收藏  举报