随着物联网、5G、人工智能等技术的进步,人们在工作与生活中产生的数据越来越多。对于这些数据,很多需要存储到云端,进行挖掘,使其产生价值。这就需要容量更大、性能更好、读取速度更快的存储系统来实现。此前大部分存储系统都是基于传统的机械硬盘而设计的,介质访问延迟相对较高。SATA、SAS等传统的存储接口就足够满足读写速度的要求。但随着半导体存储介质的发展,许多存储系统已经开始使用FLASH等非易失性存储介质。这类介质读取速度快、功耗低、存储密度大、耐用。这意味着介质访问延迟将大大降低,数据传输带宽也会明显增大。因此存储系统接口便渐渐成为存储系统性能提升的关键,此时NVMe应运而生。NVMe是一种高性能、可扩展的基于PCIe物理接口。用于主机软件与非易失性存储介质之间的通信。同时,NVMe可以提供更低的延时,更高的性能、更大的吞吐率。凭借这些优异性能,NVMe接口在多个领域得到使用,例如固态硬盘,加速板卡,数据中心等。此前的NVMe控制器大都使用软件的方式实现,而软件串行执行所带来的延迟会大大降低读取速度。因此要想获得更快的读写速度以及命令处理,就必须使用多核处理器。但这又会导致整个系统变得复杂,功耗也会随之增加。而硬件加速的NVMe控制器可以在不使用多核处理器的情况下有效降低延迟,提高读写速度。基于此背景下,本文对国内外在NVMe技术方面的发展以及其技术原理进行了深入研究,提出了一种全硬件实现的NVMe控制器架构,并通过Vivado软件在FPGA平台上对其进行了仿真与验证。控制器创新性地调用了DMA来进行数据传输。SQ指令的获取、CQ条目的反馈以及数据的读写都是由DMA来完成。DMA读写数据时无需CPU参与,降低了CPU开销,同时提高了读写速度。该控制器也可支持多队列操作,多队列可以进一步加速数据读取。测试结果表明,控制器在250MHZ时钟频率、单个I/O队列情况下,其读速度可达1.72GByte/s,写速度可达1.83GByte/s。