了解 RISC-V IOMMU

了解 RISC-V IOMMU

一、IOMMU 的背景

输入输出内存管理单元 (IOMMU)，有时也称为系统 MMU (SMMU)，是一个系统级内存管理单元 (MMU)，用于将具有直接内存访问（DMA）功能的输入/输出 (I/O) 设备连接到系统内存。

没有 IOMMU 时：

有 IOMMU 时：

1. 使得设备 DMA 更加安全，可以限制设备能够访问的物理内存
2. 地址转换 IOVA -> PA，可以支持连续的 IOVA，非连续的 PA，可以利用物理内存中分散的页

二、IOMMU 在 SOC 中的位置

以 Spec 中的图5为例，该 SOC 集成了内存控制器和多个 IO 设备，还集成了两个 IOMMU 实例。

设备可以直接连接到 IO Bridge 和系统互连，也可以在需要将 IO 协议事务转换为系统互连事务时通过 Root Port 连接。

第一个 IOMMU 实例 IOMMU 0（与 IO Bridge 0 相关联）将一个 Root Port 连接到系统结构/互连（Root Port 是一个 PCIe 端口），一个或多个终端设备通过该 Root Port 与 SoC 连接。

第二个IOMMU 实例 IOMMU 1（与 IO Bridge 1 相关联）说明了在不使用 Root Port 的情况下将设备（IO 设备 A 和 B）连接到系统架构的情况。

Host interface：它是连接 IOMMU 的接口，供 Harts 访问其内存映射寄存器，并执行全局配置和/或维护操作。

Data structure interface：它被 IOMMU 用于隐式访问内存。用于从主内存中获取所需的数据结构。

Device Translation Request：从 IO Bridge 接收转换请求。在此接口上，IO Bridge 提供有关请求的信息。

**ATS **：如果 IOMMU 支持可选的 PCIe ATS 功能，则 ATS 接口用于通过 PCIe Root Port 与具有 ATS 功能的 EP（Endpoint，即 PCIe 设备） 通信。

三、IOMMU 导言

节选出了我认为有助于理解 IOMMU 的部分

四、IOMMU 的几种使用模式

1、非虚拟化 OS 的情况

对于这种情况，我的理解是：

1. 用来做保护的，限制 DMA 能访问的物理内存区域
2. 支持可以使用分散的物理内存区域

传统的 32 位设备无法访问超过 4 GiB 的内存。如果没有 IOMMU，操作系统就必须通过分配在 4 GiB 以下内存中的缓冲区来复制数据。

2、Hypervisor 的情况

对于这种情况，我的理解是：

1. Hypervisor 提供 GPA->SPA 转换，限制 Guest OS 访问的物理内存
2. 同时也支持仅OS的情况，可以使用分散的物理内存
3. 对于使用 MSI 中断的设备，可以借助 IOMMU 找到 VM 对应的中断文件

3、Guest OS 的情况

对于这种情况，我的理解是：