SPDK源码剖析一hello_world程序

SPDK初识之hello_world程序分析

首先是hello_world程序整体框架分析
在这里插入图片描述

int main(int argc, char **argv)
{
    
    rc = parse_args(argc, argv, &opts);
     
    if (spdk_env_init(&opts) < 0) {  // spdk环境初始化，最终调用dpdk环境初始化
    }

    // 扫描设备，将驱动和设备绑定，调用回调函数`probe_cb`和`attach_cb`
    rc = spdk_nvme_probe(&g_trid, NULL, probe_cb, attach_cb, NULL); 

    hello_world(); // IO qpair创建、nvme的读写
    cleanup();  

    return rc;
}

初始化SPDK环境

int spdk_env_init(const struct spdk_env_opts *opts)

函数 spdk_env_init 用于初始化SPDK环境，它接受一个指向 spdk_env_opts 结构体的指针作为参数。这个结构体包含了SPDK环境配置的各种选项。在调用 spdk_env_init 之前，通常需要先通过 spdk_env_opts_init 函数来初始化这个结构体，设置一些基本的配置选项。
最终调用DPDK的接口rte_eal_init来完成SPDK环境的初始化。

扫描设备

SPDK对于传输使用的协议或者总线虚拟化成一个transport，主要包含PCIE、TCP、Fabric、RDMA等类型。
SPDK对设备的管理类似Linux的设备驱动模型：包含总线、设备、驱动三个部分。
SPDK先后注册总线、驱动和transport。
之后提供了两个回调接口。

两个回调接口

probe_cb:
probe_cb 是在SPDK发现新的NVMe控制器后调用的回调函数。
在hello_world示例中，当SPDK发现一个新的NVMe控制器时，它仅打印了一条日志消息来确认控制器的发现。

attach_cb:
attach_cb 是在NVMe控制器成功连接到用户空间驱动程序后调用的回调函数。
在hello_world示例中，attach_cb 做了两件事情：
将初始化好的NVMe控制器添加到全局控制器列表 g_controllers 中，以便SPDK可以跟踪和管理所有已发现的控制器。
将命名空间（Namespace，NS）注册到控制器中。在NVMe中，命名空间是逻辑存储单元，它包含存储设备上的数据。注册命名空间意味着SPDK可以开始对它进行操作。

Qpair

首先明白SPDK中的关键概念：提交队列（Submission Queue）和完成队列（Completion Queue）。
在NVMe（非易失性内存表达）协议中，SQ和CQ是两个关键的概念，用于管理NVMe设备上的I/O（输入/输出）操作。

SQ： SQ是NVMe设备上的一个队列，用于存放待处理的I/O请求。主机（HOST）将I/O请求打包成命令，并放入SQ中。 NVMe子系统会从SQ中读取命令，并处理这些I/O请求。

CQ： CQ是NVMe设备上的另一个队列，用于存放处理完成的I/O请求。当NVMe子系统完成一个I/O请求时，它会生成一个完成命令，并将其放入CQ中。主机从CQ中读取完成命令，以确认I/O操作的成功或失败。

在NVMe协议中，SQ和CQ的个数并没有要求一一对应。也就是说，一个SQ可以对应多个CQ，或者一个CQ可以对应多个SQ。这种设计增加了系统的灵活性，可以根据具体需求配置SQ和CQ的数量。

然而，在SPDK中，SQ和CQ通常是一一对应的，并且都包含在一个名为“qpair”的结构中。这种做法简化了SPDK的编程模型，使得开发者可以更容易地管理和同步I/O请求的提交和完成。

QPair是SPDK（Storage Performance Development Kit）中的一种结构，用于管理NVMe（非易失性内存表达）设备的I/O操作。如下图所示：
在这里插入图片描述
QPair包括两个主要部分：SQ（Submission Queue，提交队列）和CQ（Completion Queue，完成队列）。
为了更有效地管理请求对象，每个QPair都会包含一个free_req对象池，用于缓存nvme_request对象实例。同时，还会包含一个free_tr对象池，用于缓存nvme_tracker对象，每个对象都关联一个cmdId（命令标识），以跟踪每个请求的执行情况。当请求完成时，相应的回调会被触发。

nvme_request对象内部主要维护了spdk_nvme_cmd数据结构，由于SQ和CQ使用不同的物理内存空间，因此在提交命令时需要进行一次数据拷贝。

对于执行失败的请求，QPair不会直接丢弃它们，而是先加入到queued_req队列中，以便后续进行重试处理。当queued_req队列不为空时，新的请求会先提交到这个队列中，确保之前失败的请求先得到处理。

在SPDK中，每个QPair（队列对）会绑定两个Doorbell寄存器，每个寄存器占用4个字节的空间。这些寄存器用于通知NVMe控制器关于I/O操作的状态，并且基于基于MMIO（内存映射I/O）方式更新。具体来说：
第一个Doorbell寄存器用于告知NVMe控制器，提交队列（SQ）中新的I/O命令已准备好执行。
第二个Doorbell寄存器用于通知NVMe控制器，完成队列（CQ）中I/O命令的执行状态已更新。

IO处理

创建IO qpair

创建IO qpair时先创建CQ再创建SQ。

IO读写

SPDK的命令在执行前，每个命令都会附带一个完成后的回调函数。这意味着一旦命令完成并收到对应的完成队列条目（CQE），就会触发这个回调函数。
因此，Hello_world示例利用了这一特性，实现了先写入数据再读取的操作流程。在发送写命令时，它定义了一个回调函数write_complete，并在该函数内部执行了NVMe的读操作，在发送读命令时，定义一个回调函数read_complete，在该函数内部打印数据，并将sequence.is_completed标志设置为1。

在Hello_world函数里，主程序一个while死循环，在循环体内周期性地调用spdk_nvme_qpair_process_completions() 函数。
这个函数会检查NVMe设备的完成队列（CQ），以确定是否有新的完成事件（CQEs）到达。
如果CQ中有新的完成事件，函数会处理这些事件，并调用相应的回调函数。在Hello_world示例中回调函数将sequence.is_completed标志位设置为1，于是死循环退出。

//轮询I/O队列对，等待写操作完成
		while (!sequence.is_completed) {
			spdk_nvme_qpair_process_completions(ns_entry->qpair, 0);
		}

标签：队列,NVMe,spdk,SPDK,源码,world,CQ,SQ
From： https://blog.csdn.net/qq_51350957/article/details/141198374