NVMe的隊列分為2種，其中一種是用於管理的隊列，稱為Admin Queue（管理隊列），僅有一個，另外一種是命令隊列（Command Queue），最多可以有65535個。其中命令隊列的數量和模式都是通過管理隊列來設置的。其中每一個隊列實際上是一個隊列對，也就是包括兩個隊列，分別是提交隊列（Submission Queue）和完成隊列（Completion Queue）。提交隊列用於主機端向NVMe設備發送NVMe命令，而完成隊列則用於NVMe設備向主機反饋命令執行情況。實際上NVMe還有另外一種模式，就是多個提交隊列共享同一個完成隊列的情況，本文暫時不做介紹。

NVMe隊列及命令的處理流程

上文我們知道NVMe是通過隊列傳遞控制命令和命令等內容的，那麼這裡的隊列實體到底是什麼呢？其實這裡提交隊列和完成隊列就是內存的一個區域。在數據結構原理上這裡的隊列其實是一個環形緩衝區，如圖3所示。

NVMe通過一種門鈴機制(Doorbell)來告知控制器命令隊列是否有新數請求/命令。也就是說每個隊列都有一個門鈴指針。對於發送隊列來說，這個指針表示的是發送隊列的尾指針。主機端將數據寫入到發送隊列後，更新映射到位於設備寄存器空間中的門鈴的尾指針。此時，在控制器端就知道有新的請求/命令到來，接下來就可以進行對其進行處理。

當控制器完成一個NVMe請求時，通過完成隊列來把完成的結果告知主機端。與發送隊列不同，完成隊列是通過中斷機制（可以是INTx，MSI或MSIx）告訴主機端。如圖4是一個命令的完整處理流程。

NVMe的命令格式

前面我們介紹了命令的發送和處理流程，接下來我們看看NVMe的命令長什麼樣。如圖5是NMVe命令的具體格式，如果大家瞭解TCP/IP協議或者SCSI協議，那麼理解本圖將相當容易。在圖4中每一行為8個位元組，命令大小總共為64位元組。

在這個命令格式中有幾個欄位本身是比較複雜的，限於篇幅，且不打算讓大家看完本文後頭疼，本文不打算介紹所有細節。本文簡單的介紹一下該命令格式的幾個關鍵欄位。其中Command Identifier標識一個具體的命令。Namespace Identifier則表示命令發送到那個命名空間。Data Pointer 1 和Data Pointer 2則用於標識數據的具體位置。

這裡有兩點需要說明：

• NVMe的一個控制器下面可以有多個命名空間（Namespace），通過Namespace ID來標識的。
• 命令與數據是分離的，並不像TCP那樣數據在命令後面。

我們這裡重點介紹一下Command Identifier，該欄位佔用4個位元組的空間。雖然僅有4個位元組，但有分為3大部分，6小部分，具體如圖6所示。

我們以從低位到高位的順序分別介紹一下各個欄位的含義：

• OPC： 全稱為Opcode，也就是被執行命令的操作碼。具體來說就是想讓控制器幹什麼，比如讀數據、寫數據或者刷寫等。

• FUSE： 全稱為Fused Operation， 用於標識該命令是普通命令還是複合命令。如圖8是白皮書對該欄位的說明。

• PSDT： 全稱為PRP or SGL for Data Transfer，這個用於說明存儲數據的內存的組織形式。

NVMe的性能

最後我們看一下NVMe與SAS和SATA存儲設備的性能對比。為了避免廣告嫌疑，本文就佈局圖說明設備的廠商和類型了。

通過上圖可以清楚的看到SAS和SATA設備與NVMe設備的性能差異，特別是對於讀操作，NVMe有絕對的性能優勢。

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