NVMe控制器寄存器

1 内存映射寄存器

NVMe控制器寄存器，位于配置空间BAR0与BAR1，所映射的内存空间中。
在PCI Header中，有如下定义：

BAR0为低32位，BAR1为高32位，一起组合为64位内存地址，表示PCIe设备内存空间的基址。

NVMe控制器寄存器，就位于该内存空间中，并且host访问这些寄存器，应按原始宽度或32位对齐来访问。
NVMe控制器寄存器，定义如下：

由于NVMe控制器寄存器，位于PCIe设备内存空间中，因此上表中Start和End列，是相对于PCIe设备内存空间基址的偏移。

NVMe协议中，常见术语缩写，如下所示：

• RO：只读
• RW：读写
• R/W：读写，读取的值可能不是最后写入的值
• RWC：读/写’1’，来清除寄存器
• RWS：读/写’1’，来设置寄存器
• Impl Spec：实现细节，控制器可以自由选择其实现
• HwInit：默认状态，取决于设备和系统配置。该值在复位时初始化，例如，在集成设备的情况下，由平台BIOS在扩展ROM上初始化。

1.1 Offset 00h: CAP – Controller Capabilities

Controller Capabilities寄存器，共8字节，表示控制器对Host软件的基础能力。

Bit	Type	Reset	Description
63:56	RO	0h	保留
55:52	RO	Impl Spec	Memory Page Size Maximum (MPSMAX)：该字段表示，控制器支持的最大主机内存页大小。 最大内存页大小为(2 ^ (12 + MPSMAX))，主机不能在CC.MPS中配置，大于此值的内存页大小。
51:48	RO	Impl Spec	Memory Page Size Minimum (MPSMIN)：该字段表示，控制器支持的最小主机内存页大小。 最小内存页大小为(2 ^ (12 + MPSMIN))，主机不能在CC.MPS中配置，小于此值的内存页大小。
47:45	RO	0h	保留
44:37	RO	Impl Spec	Command Sets Supported (CSS)：该字段表示，控制器支持的l/O命令集，至少支持一个命令集。 这个字段有点重要，如果一个位被设置为’1’，则支持相应的l/O命令集； 如果一个位被清除为’0’，则不支持相应的l/O命令集。
36	RO	Impl Spec	NVM Subsystem Reset Supported (NSSRS)：该字段表示，控制器是否支持NVM Subsystem Reset特性。 如果控制器支持NVM Subsystem Reset特性，该字段设置为“1”； 如果控制器不支持NVM子系统复位特性，该字段清除为“0”。
35:32	RO	Impl Spec	Doorbell Stride (DSTRD)：每个提交队列和完成队列Doorbell寄存器的大小是32位。 这个寄存器指示，Doorbell寄存器之间的间隔，间隔被指定为(2 ^ (2 + DSTRD))字节。 值0h表示4字节的间隔，其中Doorbell寄存器被打包，每个寄存器之间没有保留空间。
31:24	RO	Impl Spec	Timeout (TO)：这是主机软件等待CSTS.RDY从以下过渡的超时时间： a）CC.EN从’ 0 ‘转换到’ 1 ‘； b）CC.EN从’ 1 ‘转换到’ 0 '； 这种最坏的情况，可能发生在突然关机或激活新固件镜像等事件之后；预计典型时间会短得多。该字段的单位是500毫秒。
23:19	RO	0h	保留
18:17	RO	Impl Spec	Arbitration Mechanism Supported (AMS)：该字段的位是重要的，表示控制器支持的可选仲裁机制。如果一个位设置为“1”，则控制器支持相应的仲裁机制。 没有列出轮转仲裁机制，因为所有控制器都应支持该仲裁机制。
16	RO	Impl Spec	Contiguous Queues Required (CQR)： 如果控制器要求，I/O提交队列和I/O完成队列，在物理上是连续的，则该字段设置为’ 1 ‘。 如果控制器支持物理上，不连续的I/O提交队列和I/O完成队列，该字段清空为“0”。 如果这个字段设置为’ 1 ‘，那么，在创建I/O提交队列和I/O完成队列命令中的物理连续位(CDW11.PC)，应该设置为’ 1 '。
15:00	RO	Impl Spec	Maximum Queue Entries Supported (MQES)：该字段表示，控制器支持的最大单个队列长度。 这个值适用于，主机软件可能创建的每一个I/O提交队列和I/O完成队列。这是一个基于0的值。最小值是1h，表示两个条目。

1.2 Offset 08h: VS – Version

Version寄存器，共4字节，表示控制器支持的NVM Express规范主和从版本。
上面两个字节，表示主版本号；下面两个字节，表示从版本号。
例如：版本3.12将表示为00030102h。本规范的有效版本是1.0。

1.3 Offset 0Ch: INTMS – Interrupt Mask Set

Interrupt Mask Set寄存器，共4字节。当使用基于引脚的中断、单消息MSI或多消息MSI时，该寄存器用于屏蔽中断。

• 当使用MSI-X时，应该使用定义为MSI-X一部分的中断掩码表来屏蔽中断。
• 当为MSI-X配置时，主机软件不得访问此寄存器；为MSI-X配置的任何访问都是未定义的。

1.4 Offset 10h: INTMC – Interrupt Mask Clear

Interrupt Mask Clear寄存器，共4字节。当使用基于引脚的中断、单消息MSI或多消息MSI时，该寄存器用于解除屏蔽中断。

• 当使用MSI-X时，应该使用定义为MSI-X一部分的中断掩码表来解除中断掩码。
• 当为MSI-X配置时，主机软件不得访问此寄存器；为MSI-X配置的任何访问都是未定义的。

1.5 Offset 14h: CC – Controller Configuration

Controller Configuration寄存器，共4字节。该寄存器修改控制器的设置。
主机软件应将Arbitration Mechanism(CC.AMS)、Memory Page Size(CC.MPS)和Command Set(CC.CSS)设置为有效值，然后通过将CC.EN设置为’ 1 '来启用控制器。

Bit	Type	Reset	Description
31:24	RO	0h	保留
23:20	RW	0h	I/O Completion Queue Entry Size (IOCQES)：该字段定义了，用于所选I/O命令集的I/O Completion Queue条目的大小。Identify Controller数据结构，为每个I/O命令集指定了，该字段的所需值和最大值。该值以字节为单位，以2的幂(2^n)指定。
19:16	RW	0h	I/O Submission Queue Entry Size (IOSQES)：该字段定义了，用于所选I/O命令集的I/O Submission Queue条目的大小。Identify Controller数据结构，为每个I/O命令集指定了，该字段的所需值和最大值。该值以字节为单位，以2的幂(2^n)指定。
15:14	RW	0h	Shutdown Notification (SHN)：该字段用于在关机发生时，启动关机处理(即，预期出现掉电条件)。 对于正常的关机通知，期望控制器有时间来处理关机通知。对于突然关机通知，主机可能没有等到关机处理完成才失去电源。 关闭通知的值定义为： 这个字段应该在，任何电源关闭条件之前和PCI电源管理状态的任何改变之前，由主机软件编写。建议在热重启之前，也写入该字段。要确定关闭处理，何时完成，请参考CSTS.SHST。
13:11	RW	0h	Arbitration Mechanism Selected (AMS)：该字段用于选择要使用的仲裁机制。 只有当EN被清除为“0”时，这个值才会改变。主机软件只能将此字段设置为CAP.AMS中所示的支持的仲裁机制。如果将该字段设置为不支持的值，则行为未定义。
10:07	RW	0h	Memory Page Size (MPS)：这个字段，表示主机内存页面大小，内存页面大小为(2 ^ (12 + MPS))。 因此，最小的主机内存页面大小是4KB，最大的主机内存页面大小是128MB。 主机软件设置的值，应该是CAP.MPSMAX和CAP.MPSMIN字段所表示支持的值。该字段描述了，用于PRP条目大小的值。只有当EN被清除为“0”时，该字段才会被修改。
06:04	RW	0h	I/O Command Set Selected (CSS)：该字段指定，用于I/O Submission Queue的I/O命令集。 主机软件只能选择支持的I/O命令集，如CAP.CSS所示。该字段只能在，控制器被禁用时更改(CC.EN被清除为“0”)。所选I/O命令集应用于所有I/O Submission Queue。
03:01	RO	0h	保留
00	RW	0h	Enable (EN)： a）当设置为’ 1 ‘时，控制器根据Submission Queue Tail doorbell写的命令进行处理。 b）当清除为’ 0 ‘时，控制器将不会处理命令，也不会将完成队列条目发送到Completion Queues。 c）当这个字段从1转换到0时，控制器被重置(称为Controller Reset)。 重置删除所有I/O Submission Queues和I/O Completion Queues，重置Admin Submission Queue和Completion Queues，并使硬件处于空闲状态。 复位不影响PCIe寄存器或Admin Queue寄存器(AQA、ASQ或ACQ)。在本节中定义的，所有其他控制器寄存器和控制器内部状态(例如，不跨电源状态持久化的特征值)，将重置为默认值。 控制器应确保，在复位操作之前，已将相应的完成队列条目发送到I/O Completion Queue的命令，没有数据丢失。 d）当该字段被清除为“0”时，一旦控制器准备重新启用，控制器将把CSTS.RDY位清除为“0”。 当该字段设置为’ 1 ‘时，控制器在准备处理命令时，将CSTS.RDY设置为’ 1 '。 当CSTS.RDY为1时，将该字段从0设置为1，或者当CSTS.RDY为0时将该字段从1设置为0，将产生未定义的结果。管理队列寄存器(AQA, ASQ和ACQ)，只有在EN被清除为“0”时才会被修改。

1.6 Offset 1Ch: CSTS – Controller Status

Controller Status寄存器，共4字节。

Bit	Type	Reset	Description
31:05	RO	0h	保留
04	RW1C	HwInit	NVM Subsystem Reset Occurred (NSSRO)： 如果最后一次NVM Subsystem Reset，发生在NVM子系通电时，则此字段的初始值为“1”。 此字段的初始值为“0”，这是由于NVM子系统通电而导致的NVM Subsystem Reset。 该字段，仅在控制器支持NVM Subsystem Reset特性时有效，如CAP.NSSRS设置为’ 1 '。 如果NVM Subsystem Reset导致激活新的固件镜像，此字段的重置值为“0”。
03:02	RO	0h	Shutdown Status (SHST)：此字段表示由主机设置CC.SHN字段，而启动的关机处理的状态。 关机状态的值，定义如下：在执行关机操作(CSTS.SHST设置为10b)后，要在控制器上执行命令，需要复位(CC.EN清除为“0”)。如果主机软件向控制器提交命令而不发出复位，则该行为是未定义的。
01	RO	HwInit	Controller Fatal Status (CFS)：当发生无法在适当的完成队列中传递的，致命控制器错误时，此字段设置为’ 1 '。 当没有发生致命控制器错误时，该字段被清除为“0”。 当控制器初始化过程中，检测到致命错误时，该字段的重置值为“1”。
00	RO	0h	Ready (RDY)：CC.EN设置为“1”后，当控制器准备好接受Submission Queue Tail doorbell写入时，此字段设置为“1”。 当CC.EN清除为“0”时，此字段应清除为“零”。 在CC.EN位设置为“1”之后，此字段设置为“1”之前，不得向控制器提交命令。不遵守此要求会产生未定义的结果。 在将CC.EN从以前的值“0”设置为“1”后，主机软件应等待至少CAP.TO秒，以便将该字段设置为“1”。

1.7 Offset 20h: NSSR – NVM Subsystem Reset

NVM Subsystem Reset寄存器，共4字节。
此可选寄存器，为主机软件提供初始化NVM Subsystem Reset的能力。对该寄存器的支持由NVM Subsystem Reset Supported（CAP.NSSRS）字段的状态表示。如果寄存器不被支持，则保留寄存器占用的地址范围。

1.8 Offset 24h: AQA – Admin Queue Attributes

Admin Queue Attributes寄存器，共4字节。
这个寄存器定义了Admin Submission Queue和Admin Completion Queue的属性。Admin Submission Queue和Admin Completion Queue的队列标识符是0h。Admin Submission Queue的优先级由所选择的仲裁机制决定。

Admin Submission Queue和Admin Completion Queue需要在物理上连续的内存中。

注意:
建议引导操作使用UEFI。在低内存环境中(比如legacy BIOS环境中的Option ROMs)，可能没有足够的可用内存来分配必要的Submission和Completion队列。在这些类型的条件下，控制器的低内存操作是特定于供应商的。

1.9 Offset 28h: ASQ – Admin Submission Queue Base Address

Admin Submission Queue Base Address寄存器，共8字节。
这个寄存器定义了，管理提交队列的内存基地址。

1.10 Offset 30h: ACQ – Admin Completion Queue Base Address

Admin Completion Queue Base Address寄存器，共8字节。
此寄存器定义了，管理完成队列的内存基地址。

1.11 Offset (1000h + ((2y) * (4 << CAP.DSTRD))): SQyTDBL – Submission Queue y Tail Doorbell

Submission Queue y Tail Doorbell寄存器，共4字节。
这个寄存器定义了doorbell寄存器，用于更新Submission Queue y的尾部条目指针（Tail），y的值等于队列标识符。这向控制器表明，已经提交了新的命令待处理。

• Host不应该读取doorbell寄存器，如果读取doorbell寄存器，则返回特定于供应商的值。
• 向不存在的Submission Queue Tail Doorbell写入，结果未定义。

1.12 Offset (1000h + ((2y + 1) * (4 << CAP.DSTRD))): CQyHDBL – Completion Queue y Head Doorbell

Completion Queue y Head Doorbell寄存器，共4字节。
这个寄存器定义了doorbell寄存器，用于更新Completion Queue y的头部条目指针（Head），y的值等于队列标识符。这表示已被Host软件处理完毕的，完成队列条目。

• Host不应该读取doorbell寄存器，如果读取doorbell寄存器，则返回特定于供应商的值。
• 写入一个不存在的Completion Queue Head Doorbell，有未定义的结果。
• Host软件应该确保，它继续处理Completion Queues中的完成队列条目，而不管在特定或任何Submission Queue中是否有可用条目。

1.13 Doorbell寄存器组织结构

每个NVMe控制器有一个Admin Queue。因此，协议规定，Admin Queue的Doorbell，默认固定从1000h开始：

• 1000h ~ 1003h，Submission Queue 0 Tail Doorbell (Admin)
• 1000h + (1 * (4 << CAP.DSTRD)) ~ 1003h + (1 * (4 << CAP.DSTRD))，Completion Queue 0 Head Doorbell (Admin)

CAP.DSTRD，就是Controller Capabilities的Doorbell Stride (DSTRD)寄存器，表示Doorbell寄存器之间的间隔，间隔被指定为(2 ^ (2 + DSTRD))字节。DSTRD=0h表示4字节的间隔，其中Doorbell寄存器被打包，每个寄存器之间没有保留空间。

每个NVMe控制器最多64K个I/O Queue。Admin Submission Queue和Admin Completion Queue的队列标识符均为0h；因此，IO Queue标识符从1开始，一直到y，y最大可以为64k。

因此，协议规定，I/O Queue的Doorbell偏移范围为：

• 从1000h + (2 * (4 << CAP.DSTRD)) ~ 1003h + (2 * (4 << CAP.DSTRD))开始，Submission Queue 1 Tail Doorbell
• 至1000h + ((2y + 1) * (4 << CAP.DSTRD)) ~ 1003h + ((2y + 1) * (4 << CAP.DSTRD))结束，Completion Queue y Head Doorbell

2 I/O空间寄存器(可选)

Index/Data Pair registers（索引/数据对寄存器），是一对I/O空间寄存器。

Index/Data Pair registers，为Host软件提供了一种基于I/O空间寄存器，来访问NVMe内存映射寄存器的机制。如果支持此特性的话，这些寄存器将位于BAR2对应内存空间中。

在基于PC的平台上，如果PCIe Function的地址空间，被内存映射，并且映射到1MB以上，那么，Host软件（BIOS, Option ROMs, OSes）在实模式下的写操作，不能访问该地址空间中的寄存器。

索引/数据对机制，允许Host软件使用间接I/O寻址代替直接内存映射，来访问所有内存映射的NVMe寄存器。

注意:
UEFI驱动没有1MB的限制，因此在使用EFI时，不需要索引/数据对机制。因此，这个特性对于控制器来说是可选的，并且随着UEFI的普及，此特性可能会被淘汰。

2.1 限制

Host软件不得在，基于索引/数据对的存取和直接内存映射存取方法之间交替使用。在使用对控制器寄存器的直接内存映射访问后，索引/数据对机制将不再使用。

2.2 Index/Data Pair registers

下列寄存器描述了，实现索引/数据对所需的寄存器。

• Index register：索引寄存器，占4字节，偏移为00h~03h；
• Data register：数据寄存器，占4字节，偏移为04h~07h。

2.3 Offset 00h: IDX – Index Register

2.4 Offset 04h: DAT – Data Register

举两个例子，就明白了。
假设，欲将4E564D65h值，写入NVMe控制器的20h（NVM Subsystem Reset）寄存器，那么：

• 将偏移20h，写入Index Register；
• 将值4E564D65h，写入Data Register；
• 机制会自动将Data Register寄存器值，写入Index Register指向的寄存器。

假设，欲读取NVMe控制器的20h（NVM Subsystem Reset）寄存器，那么：

• 将偏移20h，写入Index Register；
• 对Data Register进行读取操作；
• 机制会自动读取Index Register指向的寄存器，并将结果作为Data Register寄存器值返回。

如此，便可以通过索引/数据对寄存器，实现对NVMe内存映射寄存器的访问。