在此前的NVMe相关文章中，我们介绍了NVMe SSD格式化的基本原理和操作。本文将进一步探讨NVMe系统中的另一个关键组件——Doorbell寄存器。

为了更好地理解Doorbell寄存器，我们先来介绍一些NVMe队列的基本操作。在NVMe协议中，队列是主机与控制器进行信息交换的桥梁。主机通过队列向控制器发送请求命令，控制器则通过队列向主机反馈响应。

主机和控制器之间通过队列来完成信息交互，如下图所示：

1）主机写命令到SQ；

2）主机写SQ的Tail Doorbell寄存器，通知控制器取指；

3）控制器收到通知后，到SQ中取指；

4）控制器执行指令；

5）指令执行完成，控制器往CQ中写指令执行结果；

6）控制器发中断通知主机指令完成；

7）主机收到中断，到CQ中取执行结果，查看指令完成状态；

8）主机处理完指令执行结果，通过写CQ的Head Doorbell寄存器通知控制器指令执行结果已处理。

在此过程中，Doorbell寄存器起到了关键作用，负责实现主机与控制器的异步通知机制，从而显著提升了主机与SSD之间的通信效率。

1、Doorbell寄存器关键作用

Doorbell寄存器是SSD控制器内的专用寄存器，每个队列对应两个Doorbell寄存器，分别用于记录队列的头（Head）、尾（Tail）位置。以下以提交队列（SQ）为例，说明如果没有Doorbell寄存器，队列使用可能出现的问题。

主机作为写入方，负责维护Tail指针。每次发送命令时，主机将命令写入Tail指针所指的位置。主机和控制器之间没有其他通信途径，主机只负责写入，控制器无法得知何时有新命令到达，因此无法准确读取命令。

控制器作为读取方，负责维护Head指针。每次读取命令时，控制器从Head指针所指的位置获取命令。然而，由于无法预知新命令何时到达，控制器可能会进行无效读取。此外，控制器也无法将Head指针的位置通知主机，因此主机无法得知控制器已读取到哪个命令位置。

这种情况下，主机持续向队列写入命令，但由于它不知道控制器读取了多少命令，可能导致新命令覆盖尚未读取的旧命令，从而造成数据丢失或命令执行错误。

为了解决上述问题，NVMe协议引入了Doorbell寄存器，用于同步主机和控制器对队列的读写操作，以确保数据一致性和正确性。

2、Doorbell寄存器的基本原理

主机对Doorbell寄存器仅进行写操作：

• 当主机向提交队列（SQ）写入命令后，会更新SQ的Tail Doorbell寄存器，以指示新命令的末尾位置。

• 当主机处理完成队列（CQ）中的响应消息后，会更新CQ的Head Doorbell寄存器，以指示下一次获取响应消息的起始位置。

对于控制器写入的Doorbell寄存器（SQ的Head寄存器和CQ的Tail寄存器），主机不会直接读取这些寄存器，相应的队列指针位置（SQ的Head和CQ的Tail），由主机从响应消息中直接或间接获取。这是为什么呢？

由于寄存器在SSD控制器内部，主机访问寄存器需要通过额外的PCIe命令进行传输。而在控制器提交CQE（完成队列条目）时，SQ的head和CQ的Tail必然是最新值。因此，通过在CQE携带SQ的head和CQ的Tail信息，主机即可从中获取相关指针位置，避免额外的消息交互和信息同步需求。

为了简化协议设计并提升处理性能，主机对控制器的寄存器采取“只写不读”策略。

控制器对Doorbell寄存器进行读写操作：

• 控制器通过读取SQ的Tail Doorbell寄存器，确定可以读取的新命令；

• 控制器从SQ获取命令后，会更新SQ的Head Doorbell寄存器，以指示下一次读取的起始位置；

• 控制器处理完命令并将响应消息写入CQ后，会更新CQ的Tail Doorbell寄存器，以指示新响应的末尾位置。

3、Doorbell寄存器的处理流程下表列出了主机和控制器同步SQ和CQ头尾指针信息的方式，从而实现队列的读写同步。

主机如何通过CQE的P标识位确定CQ当前Tail位置？

CQE中的P（Phase）标识是一个位（bit）字段，用于指示该CQE是否是新一轮的队列循环，以帮助主机区分CQE是属于前一轮的完成通知还是当前轮的完成通知。

在CQ创建时，P标识初始化为0。当写入CQ的第一个entry，无论是首次写入还是队列循环后的写入，P标识都会翻转（初始为0，写第一个entry时翻转为1；初始为1，则翻转为0）。

主机在收到中断时，初始的期望P值就是Head指针所指的entry中的P值。在准备读取CQ的第一个entry位置时，期望值随之翻转。由于控制器支持中断聚合功能，当主机收到CQ中有entry可以读取的中断时，控制器可能已经提交多个CQE到CQ中。

主机从其维护的CQ head指针处依次读取CQ中的entry。如果读取到的entry中P标识位符合预期，则处理该entry并移动head指针；如果读P标识位不符合预期，则表示已经读取到了队列Tail位置，队列中内容已空。

上图中，“中断发生时”主机收到中断，读取Head指针所指entry，并将当前期望P值设为1。从head指针位置（slot 0）开始处理CQE,依次向后读取CQE。由于CQE P值均为1，符合预期，主机逐一处理CQE并移动Head指针。

当处理完slot 3，主机准备处理slot 4时，读取slot 4的P值为0，不符合预期，说明已经到达队列Tail位置，本轮处理结束。处理完成后，指针位置如图中“主机处理完成后”所示。

上图中，“中断发生时”主机收到中断，读取Head指针所指entry，并将当前期望P值设为1。主机从head所在位置（slot 4）开始处理CQE，处理到slot 5，再循环到slot 0。主机随后调整期望P值为0，继续处理slot 0和slot 1。当读取到slot 2时，发现P位不符合预期，说明已经到达Tail，主机结束本轮处理操作。处理完成后，指针状态如图中“主机处理完成后”所示。

当然，主机也可以在到达Tail之前的任何时刻停止本轮处理，此处不再赘述。

从上面例子可以看出，主机无法通过CQE的P标识位直接判断Tail位置。在未到达Tail位之前，主机不能确定Tail具体位置。然而，当主机处理完CQ中所有entry并遇到Tail时，可以及时停止，从而实现了队列操作的同步和互斥。

以上是Doorbell寄存器在NVMe队列操作中关键作用和基本原理介绍。Doorbell寄存器不仅简化了主机与SSD控制器之间的通信流程，还通过高效的异步通知机制显著提升了数据处理的速度和效率。

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