獲取隊列精確狀態的裝置及其方法與流程

2024-03-11 02:39:15

本發明涉及用於處理nvme命令的nvme控制器，特別地，涉及在nvme控制器中準確識別nvme隊列狀態。
背景技術：
：設備之間通過隊列交換命令或消息是常用的。命令發送方將命令插入提交隊列尾部，命令接收方從隊列尾部取出命令並處理，將處理結果插入到完成隊列尾部，命令發送方從完成隊列頭部取出命令處理結果。通過隊列交換命令，能夠在發送方與接收方直接維護多個並發的命令，並且命令之間的處理速度不必一致。nvme協議(參見「nvmexpressrevision1.2」，2014年11月3日，通過引用將其全文合併於本說明書)定義了主機(host)與設備(device)之間交換數據的命令與數據結構(如圖1所示)。主機中維護多個隊列，每個隊列中可填充多個命令。主機與設備基於隊列交換數據。主機將命令c填入提交隊列，設備從提交隊列中取得命令c，並按命令c的內容進行處理，將處理結果填入完成隊列。主機從完成隊列獲取命令c的處理結果以知曉命令c的處理完成。依據nvme協議，在設備端維護多個隊列的隊首與隊尾指針。主機與設備都會更新隊首與隊尾指針。主機向設備發送命令時，主機將命令插入提交隊列的隊尾，並更新隊尾指針。設備端比較提交隊列的隊首指針與隊尾指針，在二者不同時，確定隊列中有待處理的命令。設備端從隊列中取出命令後，更新隊首指針。主機端基於隊首指針與隊尾指針，可確定隊列中是否有空間容納新的命令。在軟體組件之間、集成電路組件之間以及軟體與硬體之間也使用隊列交換消息或命令。發明人提出了在設備端維護隊列指針的方式(申請號為201510997494.x、發明名稱為nvme門鈴處理方法及其裝置的中國專利申請)。(參看圖2)，將隊列指針存儲在設備端的nvme控制器的存儲器中，從而設備端的nvme控制器可維護不同數量的nvme隊列指針。當在主機與設備之間有n個隊列時，在存儲器中存儲2n個指針。為每個隊列在存儲器中存儲隊首指針與隊尾指針。在nvme控制器中還提供狀態寄存器，用以指示各個隊列的狀態(隊首指針與隊尾指針是否相同，隊首指針與隊尾指針不同，意味著隊列中有待處理的nvme命令)，狀態寄存器中為每個隊列提供一個寄存器位。在圖2中，主機能夠訪問設備端的存儲器中存儲的隊列指針；nvme控制器的cpu能夠訪問存儲器中存儲的隊列指針；監控器組件1，在監視到主機更新存儲器中的隊尾指針時，設置狀態寄存器中與該隊尾指針所屬的隊列所對應的位；監控器組件2，在監視到nvme控制器的cpu更新存儲器中的隊首指針時，讀取與該隊首指針相對應的隊尾指針，在隊首指針與隊尾指針不同時，設置狀態寄存器中與該隊尾指針所屬的隊列所對應的位；在隊首指針與隊尾指針相同時，清除狀態寄存器中與該隊尾指針所屬的隊列所對應的位。技術實現要素：然而，(1)存儲器的訪問速度較慢，而nvme控制器中的cpu指令執行速度較快。從而當cpu執行指令更新存儲器中的隊列指針後，會繼續依據狀態寄存器的指示，確定是否對隊列進行處理。而在nvmecpu更新存儲器中的隊列指針與狀態寄存器反映出真實的隊列狀態之間存在時間窗口。在該時間窗口內，狀態寄存器可能指示隊列中有命令需要處理，但相應的命令已被nvmecpu處理完成。從而狀態寄存器指示的狀態信息是錯誤的。在多cpu的情況下，這種問題將更加嚴重。參看下表，在t0時刻，nvme控制器cpu發出指令更新隊列指針(隊首指針)。存儲器的訪問速度較慢，在t2時候才完成對存儲器中的隊首指針的更新。監控器在t3時刻從存儲器中查詢到隊尾指針。在t4時刻，狀態寄存器才能反映出隊列真實的狀態。這導致在t1-t3的時間窗口內，nvmecpu無法通過狀態寄存器獲得隊列的真實狀態。時間軸t0t1t2t3t4nvmecpu發出指令更新隊首指針存儲器隊首指針被更新監控器查詢查詢隊尾指針狀態寄存器錯誤隊列狀態錯誤隊列狀態錯誤隊列狀態反映真實隊列狀態(2)主機與nvme控制器的cpu都會更新存儲器中的隊首指針和/或隊尾指針；在nvme控制器cpu更新存儲器中的隊列指針後，依然需要查詢存儲器才能確定隊列狀態，這也導致在一定時間窗口內狀態寄存器指示的狀態信息是錯誤的。參看下表，在t0時刻，nvme控制器cpu發出指令更新隊列指針(隊首指針)。在t1時刻，主機更新隊尾指針，由於存儲器訪問埠被佔用，直到t5時刻，狀態寄存器才能反映出隊列真實的狀態。這導致在t1-t4的時間窗口內，nvmecpu無法通過狀態寄存器獲得隊列的真實狀態。時間軸t0t1t2t3t4t5nvmecpu發出指令更新隊首指針主機發出指令更新隊尾指針存儲器隊首指針被更新隊尾指針被更新監控器查詢查詢隊尾指針狀態寄存器錯誤隊列狀態錯誤隊列狀態錯誤隊列狀態反映真實隊列狀態因而，需要提供技術方案，使得nvme控制器cpu能夠獲知隊列的真實狀態。根據本發明的第一方面，提供了根據本發明第一方面的第一命令隊列處理器，包括存儲器、處理器、監視器、狀態寄存器以及標誌寄存器；所述狀態寄存器用於指示命令隊列的狀態，其中在命令隊列非空時，所述狀態寄存器中相對應的比特被所述監視器置位；所述標誌寄存器可被所述cpu與所述監視器訪問；其中當所述標誌寄存器被置位時，所述標誌寄存器指示所述狀態寄存器的值反應了隊列的真實狀態，而當所述標誌寄存器被清除時，所述標誌寄存器指示所述狀態寄存器的值並不反映隊列的真實狀態。根據本發明第一方面的第一命令隊列處理器，還提供了根據本發明第一方面的第二命令隊列處理器，其中當所述cpu更新所述存儲器中的隊列指針後，所述cpu清除所述標誌寄存器；以及當所述監視器設置所述狀態寄存器後，還將所述標誌寄存器置位。根據本發明第一方面的第一與第二命令隊列處理器之一，還提供了根據本發明第一方面的第三命令隊列處理器，其中所述cpu讀取所述標誌寄存器，確定所述標誌寄存器被置位後，才訪問所述狀態寄存器，並依據所述狀態寄存器對所述命令隊列進行處理。根據本發明第一方面的第一至第三命令隊列處理器之一，還提供了根據本發明第一方面的第四命令隊列處理器，其中所述cpu讀取所述標誌寄存器，確定所述標誌寄存器被清除時，忽略所述狀態寄存器的指示。根據本發明第一方面的第一至第四命令隊列處理器之一，還提供了根據本發明第一方面的第五命令隊列處理器，其中所述監視器響應於所述cpu更新了所述存儲器中的第一隊列指針，所述監視器讀取與所述第一隊列指針相對應的第二隊列指針，並依據所述第一隊列指針與所述第二隊列指針確定所述命令隊列的狀態，並進而更新所述狀態寄存器以及將所述標誌寄存器置位。根據本發明第一方面的第一至第五命令隊列處理器之一，還提供了根據本發明第一方面的第六命令隊列處理器，其中所述監控器基於所述cpu訪問所述存儲器的地址識別所述cpu更新了所述存儲器中的第一隊列指針。根據本發明第一方面的第一至第六命令隊列處理器之一，還提供了根據本發明第一方面的第七命令隊列處理器，所述命令隊列處理器還包括第二處理器，其中所述標誌寄存器與所述存儲器可被所述第二處理器訪問；所述cpu或第二cpu訪問所述狀態寄存器前，對所述標誌寄存器加鎖，並依據所述標記寄存器的內容決定是否訪問所述狀態寄存器。根據本發明第一方面的第一至第七命令隊列處理器之一，還提供了根據本發明第一方面的第八命令隊列處理器，其中所述監視器響應於主機更新了所述存儲器中的第二隊列指針，將所述狀態寄存器置位，並將所述標誌寄存器置位，所述cpu基於所述標誌寄存器被置位，確定當前所述狀態寄存器反映了所述隊列的真實狀態。根據本發明的第二方面，提供了根據本發明第二方面的第一命令隊列處理方法，包括：清除標誌寄存器；更新存儲器中的隊首指針；讀取標誌寄存器，確定所述標誌寄存器被置位後，才訪問所述狀態寄存器，並依據所述狀態寄存器對所述命令隊列進行處理。根據本發明第二方面的第一命令隊列處理方法，還提供了根據本發明第二方面的第一命令隊列處理方法，還包括：在更新存儲器中的隊首指針後，讀取標誌寄存器之前，執行不依賴於狀態寄存器的任務或休眠。根據本發明第二方面的第一或第二命令隊列處理方法，還提供了根據本發明第二方面的第三命令隊列處理方法，其中讀取標誌寄存器，確定所述標誌寄存器被清除時，忽略所述狀態寄存器的指示或休眠。根據本發明第二方面的第一至第三命令隊列處理方法之一，還提供了根據本發明第二方面的第四命令隊列處理方法，其中訪問所述標誌寄存器時，對所述狀態寄存器加鎖。根據本發明第二方面的第一至第四命令隊列處理方法之一，還提供了根據本發明第二方面的第五命令隊列處理方法，其中訪問狀態寄存器前，對所述標誌寄存器加鎖，並依據所述標記寄存器的內容決定是否訪問所述狀態寄存器。根據本發明第二方面的第三至第五命令隊列處理方法之一，還提供了根據本發明第二方面的第六命令隊列處理方法，還包括查詢所述標誌寄存器，確定所述標誌寄存器被置位後，才訪問所述狀態寄存器，並依據所述狀態寄存器對所述命令隊列進行處理。根據本發明第二方面的第三至第六命令隊列處理方法之一，還提供了根據本發明第二方面的第七命令隊列處理方法，其中所述清除標誌寄存器與所述更新存儲器中的隊首指針的操作是原子操作。根據本發明的第三方面，提供了根據本發明第三方面的命令隊列處理裝置，包括：用於清除標誌寄存器的模塊；用於更新存儲器中的隊首指針的模塊；以及用於讀取標誌寄存器，確定所述標誌寄存器被置位後，才訪問所述狀態寄存器，並依據所述狀態寄存器對所述命令隊列進行處理的模塊。根據本發明的第四方面，提供了根據本發明第四方面的包括指令代碼的程序，當被載入存儲設備並在存儲設備上執行時，所述程序使所述存儲設備的處理器執行根據本發明第二方面的命令隊列處理方法之一。附圖說明當連同附圖閱讀時，通過參考後面對示出性的實施例的詳細描述，將最佳地理解本發明以及優選的使用模式和其進一步的目的和優點，其中附圖包括：圖1示出了現有技術中主機與設備間通過隊列交換命令的示意圖；圖2示出了根據現有技術的nvme控制器的方框圖；圖3示出了根據本發明實施例的nvme控制器的方框圖；圖4示出了根據本發明實施例的nvme控制器cpu隊列處理過程的流程圖；圖5示出了根據本發明又一實施例的nvme控制器的方框圖；圖6示出了根據本發明依然又一實施例的nvme控制器的方框圖。具體實施方式圖3示出了根據本發明實施例的nvme控制器的方框圖。在根據圖3的實施例中，主機與設備根據nvme協議而通過隊列交換命令。在設備中包括nvme控制器。設備作為舉例可以是支持nvme協議的固態硬碟。圖3的nvme控制器包括存儲器、處理器(cpu)、監控器、狀態寄存器以及可被處理器與監控器訪問的標誌寄存器。在存儲器中存儲根據nvme協議的隊列指針。主機能夠訪問存儲器中存儲的隊列指針。nvme控制器的cpu能夠訪問存儲器中存儲的隊列指針。監控器在監視到nvme控制器的cpu更新存儲器中的隊首指針時，讀取與該隊首指針相對應的隊尾指針，在隊首指針與隊尾指針不同時，設置狀態寄存器中與該隊尾指針所屬的隊列所對應的位；在隊首指針與隊尾指針相同時，清除狀態寄存器中與該隊尾指針所屬的隊列所對應的位。cpu與監控器均可訪問標誌寄存器。nvme控制器cpu通過執行指令可清除標誌寄存器，nvme控制器cpu通過執行指令可讀取標誌寄存器的值。監控器可置位標誌寄存器。標誌寄存器被置位時，表示狀態寄存器的值反應了隊列的當前真實狀態，而當標誌寄存器被清除時，表示狀態寄存器的值並不反映隊列的真實狀態。(在操作時)在nvme控制器cpu更新存儲器中的隊列指針(隊首指針)後，一併清除標誌寄存器的值。從而提示nvme控制器cpu中執行的軟體，狀態寄存器當前並不反映隊列的真實狀態。nvme控制器cpu中執行的軟體可查詢標誌寄存器，當發現標誌寄存器被清除，則可知曉狀態寄存器並不反映隊列的真實狀態。監控器在發現nvme控制器cpu更新了共享存儲器中的隊列指針後，監控器讀取與nvme控制器cpu更新的隊列指針(隊首指針)相對應的隊尾指針，並確定隊列是否有待處理的條目，進而更新狀態寄存器。此時狀態寄存器指示了隊列的真實狀態。繼而監控器設置標誌寄存器。此後，nvme控制器cpu再查詢標誌寄存器時，將發現標誌寄存器被置位，從而知曉狀態寄存器反映了隊列的真實狀態。繼而nvme控制器cpu可查詢狀態寄存器並對隊列中的條目進行處理。圖4示出了根據本發明實施例的nvme控制器cpu隊列處理過程的流程圖。nvme控制器cpu在從命令隊列(從隊首)中取出主機發出的nvme命令後，會更新命令隊列的頭指針。頭指針存放於存儲器中。在cpu更新存儲器中的頭指針(參看圖4，步驟420)之前或同時，cpu操作標誌寄存器來清除標誌寄存器(步驟410)。作為舉例，清除標誌寄存器可以是將標誌寄存器設為邏輯0。從而此後該cpu或其他cpu能夠識別到標誌寄存器的值為邏輯0，並意識到當前狀態寄存器的值不能反映隊列的真實狀態。接下來，cpu等待狀態寄存器反映隊列的真實狀態(即等待標誌寄存器被監控器置位，例如，設為邏輯1)，在等待期間，cpu可以執行其他操作以提高效率(步驟430)。當cpu發現標誌寄存器被置位(步驟450)，此時狀態寄存器已經反映隊列的真實狀態，因而cpu讀取狀態寄存器，並依據狀態寄存器確定是否有命令隊列需要處理。結合圖3與圖4，cpu更新存儲其中的隊列頭指針時(步驟420)，監控器識別到cpu對存儲器中的隊列頭指針的更新。作為響應，監控器從存儲器中讀取與該頭指針相對應的尾指針，並通過比較頭指針與尾指針來確定隊列狀態(隊列中是否有命令需要處理，或者隊列為空或非空的狀態)。監控器在狀態寄存器中反映隊列的狀態，接下來設置標誌寄存器以向cpu指示對狀態寄存器的更新已經完成，狀態寄存器已經反映了隊列的真實狀態。在一個例子中，cpu以訪問通用寄存器的方式訪問標誌寄存器。在另一個例子中，cpu執行訪存指令時，作為訪存指令的附加作用，當訪問指定地址空間(存儲隊首指針的地址空間)時，清除標誌寄存器。可以在訪存指令中指示存儲隊首指針的地址空間，也可以在寄存器中配置存儲隊首指針的地址空間。在又一個例子中，標誌寄存器用作cpu的條件操作指令的標誌位，cpu在讀取狀態寄存器時，使用條件操作指令。當標誌寄存器被置位時，執行對狀態寄存器的讀取操作，而當標誌寄存器被清除時，忽略對狀態寄存器的讀取操作。在依然又一個例子中，估計從cpu更新隊首指針到狀態寄存器反映隊列的真實狀態的時間間隔t，並依據該時間間隔t設置定時器。在cpu更新隊首指針後啟動定時器，而在定時器到時後cpu再嘗試訪問標誌寄存器以判斷狀態寄存器是否反映了隊列的真實狀態。圖5示出了根據本發明又一實施例的nvme控制器的方框圖。圖5的nvme控制器包括存儲器、處理器1(cpu1)、處理器2(cpu2)、監控器、狀態寄存器以及可被處理器與監控器訪問的標誌寄存器。在存儲器中存儲根據nvme協議的隊列指針。主機能夠訪問存儲器中存儲的隊列指針。nvme控制器的cpu能夠訪問存儲器中存儲的隊列指針。監控器在監視到nvme控制器的cpu更新存儲器中的隊首指針時，讀取與該隊首指針相對應的隊尾指針，在隊首指針與隊尾指針不同時，設置狀態寄存器中與該隊尾指針所屬的隊列所對應的位；在隊首指針與隊尾指針相同時，清除狀態寄存器中與該隊尾指針所屬的隊列所對應的位。cpu1、cpu2與監控器均可訪問標誌寄存器。cpu通過執行指令可清除標誌寄存器，nvme控制器cpu通過執行指令可讀取標誌寄存器的值。監控器可置位標誌寄存器。標誌寄存器為cpu1與cpu2所共享。在cpu1或cpu2訪問狀態寄存器前，需要對標誌寄存器加鎖，以獨佔對標誌寄存器的訪問權，並獲取標誌寄存器的值，並依據標誌寄存器的內容決定如何訪問狀態寄存器。在標誌寄存器被置位時，狀態寄存器反映了隊列的真實狀態，而在標誌寄存器被清除時，狀態寄存器不反映隊列的真實狀態。圖6示出了根據本發明的依然又一實施例的nvme控制器的方框圖。圖6的nvme控制器包括存儲器、處理器(cpu)、監控器1、監控器2、狀態寄存器以及可被處理器與監控器訪問的標誌寄存器。監控器1與監控器2均可訪問標誌寄存器。在存儲器中存儲根據nvme協議的隊列指針。主機能夠訪問存儲器中存儲的隊列指針。nvme控制器的cpu能夠訪問存儲器中存儲的隊列指針。為了向設備發送命令，主機將命令填入命令隊列，並更新存儲器中的隊列隊尾指針。監控器2在監視到主機更新存儲器中的隊尾指針時，更新狀態寄存器，以反映隊列中有新命令等待處理，接下來或同時，監控器2還將標誌寄存器置位，以指示當前狀態寄存器反映了隊列的真實狀態。監控器1在監視到nvme控制器的cpu更新存儲器中的隊首指針時，讀取與該隊首指針相對應的隊尾指針，在隊首指針與隊尾指針不同時，設置狀態寄存器中與該隊尾指針所屬的隊列所對應的位；在隊首指針與隊尾指針相同時，清除狀態寄存器中與該隊尾指針所屬的隊列所對應的位。總體而言，當監控器1或監控器2識別到對存儲中的隊列指針的更新，依據隊列狀態設置狀態寄存器，並設置標誌寄存器已向cpu指示當前狀態寄存器反映隊列的真實狀態。而在無論何時cpu訪問狀態寄存器前，都先查詢標誌寄存器，以確定狀態寄存器是否反映隊列的真實狀態，以及在cpu更新存儲器中的隊列指針前，都清除標誌寄存器。cpu清除標誌寄存器的操作與更新存儲器中的隊首指針的操作，優選地緊鄰地執行，以使標誌寄存器儘可能準確地反映狀態寄存器的真實性。所屬領域技術人員將意識到，除應用於訪問根據nvme協議的命令隊列的nvme控制器，根據本發明的實施例還可應用於其他基於隊列交換在發送方與接收方交換命令和/或數據的場合。本發明實施例還提供一種包含程序代碼的程序，當被載入cpu並在cpu中執行時，所述程序代碼使所述cpu執行上面所述的方法。本發明實施例還提供一種包括程序代碼的程序，當被載入存儲設備並在存儲設備上執行時，所述程序使所述存儲設備的處理器執行上面所述的方法之一。應該理解，框圖和流程圖的每個框以及框圖和流程圖的框的組合可以分別由包括電腦程式指令的各種裝置來實施。這些電腦程式指令可以加載到通用計算機、專用計算機或其他可編程數據控制設備上以產生機器，從而在計算機或其他可編程數據控制設備上執行的指令創建了用於實現一個或多個流程圖框中指定的功能的裝置。這些電腦程式指令還可以存儲在可以引導計算機或其他可編程數據控制設備的計算機可讀存儲器中從而以特定方式起作用，從而能夠利用存儲在計算機可讀存儲器中的指令來製造包括用於實現一個或多個流程圖框中所指定功能的計算機可讀指令的製品。電腦程式指令還可以加載到計算機或其他可編程數據控制設備上以使得在計算機或其他可編程數據控制設備上執行一系列的操作操作，從而產生計算機實現的過程，進而在計算機或其他可編程數據控制設備上執行的指令提供了用於實現一個或多個流程圖框中所指定功能的操作。因而，框圖和流程圖的框支持用於執行指定功能的裝置的組合、用於執行指定功能的操作的組合和用於執行指定功能的程序指令裝置的組合。還應該理解，框圖和流程圖的每個框以及框圖和流程圖的框的組合可以由執行指定功能或操作的、基於硬體的專用計算機系統實現，或由專用硬體和計算機指令的組合實現。雖然當前發明參考的示例被描述，其只是為了解釋的目的而不是對本發明的限制，對實施方式的改變，增加和/或刪除可以被做出而不脫離本發明的範圍。這些實施方式所涉及的、從上面描述和相關聯的附圖中呈現的教導獲益的領域中的技術人員將認識到這裡記載的本發明的很多修改和其他實施方式。因此，應該理解，本發明不限於公開的具體實施方式，旨在將修改和其他實施方式包括在所附權利要求書的範圍內。儘管在這裡採用了特定的術語，但是僅在一般意義和描述意義上使用它們並且不是為了限制的目的而使用。當前第1頁12