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概述
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设备直通的硬件技术给OS提供了以下能力
- 灵活的设备分配
- DMA重映射
- 中断重映射
- 直通设备的posted interrupt
- 向OS报告DMA和中断的错误
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无虚拟化场景，DMA重映射的用处
- os可以保护一段内存不受恶意设备的访问
- 32位兼容：32位PCI设备访问4G以上地址空间可以免除bounce buffer
- 不同设备之间DMA的隔离
- 支持PASID时，可以给设备传虚拟地址，让直通到user space的设备交互更加高效和方便
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DMA重映射
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DMA有两种：携带PASID（Process Address Space ID）和不带PASID的
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IOMMU将DMA address space翻译成host physical address space，前者可能是以下几种之一
- GPA
- GVA
- VA from host userspace
- IOVA defined and managed by host software
- GIOVA defined and managed by guest software
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IOMMU的翻译之后，才会发生其他硬件处理
- 比如和cpu cache交互保证coherency
- 比如地址解码
- 比如访存
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服务器平台可能会有多个IOMMU
- 可以被软件设置成各自管理各自Root Complex下挂载的设备
- 也可以设置成使用统一的地址翻译表
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IOMMU相关寄存器在一个MMIO page中，page的位置需要BIOS通过ACPI告知kernel
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IOMMU页表结构
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四或五级页表，48bit/57bit，跟正常页表一样
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支持2M或1G大页，在Capability寄存器中报告
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legacy mode
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scalable mode（with optional PASID）
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通过BDF号查找到context entry后，可能涉及first-stage、second-stage两阶段地址转换（有无PASID均可）
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legacy mode：只有second stage
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scalable mode：可能有first stage，也可以first、second串联成两阶段转换
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如果有PASID，context entry指向PASID table，PASID table entry指向first/second stage tables（如上图）
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两阶段地址转换可以应用在虚拟化场景下
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guest构造first stage table，里边是GVA（或者GIOVA）到GPA的映射
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host（VMM）构造second tage table，里边是GPA到HPA的映射
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设备访存时，在经过first stage table的每一级页表，都要先经过second stage table，如下图
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地址转换的cache的几种类型
- context entry
- PASID table entry
- IOTLB：first-stage/second-stage/nested
- paging structure
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Device-TLB
- 设备可以持有自己的TLB，由Root Complex发送给设备
- 设备可以将访存地址标记为“已转换”，从而跳过IOMMU
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- Intel VT-d Documentation - Intel Virtualization Technology for Direct I/O