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2023-06-15
AMD处理器IOMMU功能详解
【摘要】：AMD处理器的IOMMU技术与Intel的VT-d技术类似，其完成的主要功能也类似。AMD率先提出了IOMMU的概念，并发布了IOMMU的技术手册，但是Intel首先将这一技术在芯片中实现。AMD处理器使用HT总线连接I/O Hub，其中每一个I/O Hub都含有一个IOMMU，其结构如图13-5所示。图13-5 AMD处理器的IOMMU结构其中每一个IOMMU都使用一个Device Table。表13-1 Next Level字段为0b111时的页表大小AMD64处理器使用这种IO页表方式，可以方便地支持4KB、8KB、……
AMD处理器的IOMMU技术与Intel的VT-d技术类似，其完成的主要功能也类似。AMD率先提出了IOMMU的概念，并发布了IOMMU的技术手册，但是Intel首先将这一技术在芯片中实现。由于AMD和Intel使用的x86体系结构略有不同，因此AMD的IOMMU技术在细节上与Intel的VT-d并不完全一致。
AMD处理器使用HT（Hyper Transport）总线连接I/O Hub，其中每一个I/O Hub都含有一个IOMMU，其结构如图13-5所示。
图13-5 AMD处理器的IOMMU结构
其中每一个IOMMU都使用一个Device Table。AMD处理器使用Device Table存放图13-3中的结构，Device Table最多由216个Entry组成，其中每个Entry的大小为256b，因此Device Table最大将占用2MB内存空间，与Intel使用的Root/Context Entry结构相比，AMD使用的这种方法容易造成内存的浪费。
在I/O Hub中的设备[113]使用16位的DeviceID在Device Table查找该设备所对应的Entry，并使用这个Entry，根据I/O Page Table结构最终找到IO PTE表，并完成GPA到HPA的转换。在AMD处理器中，GPA到HPA的转换与图13-4中所示的方法有类似之处，但实现细节不同。IOMMU使用一个新型的页表结构完成GPA到HPA的转换，这个页表结构基于AMD64使用的虚拟地址到物理地址的页表结构，但是做出了一些改动。AMD64进行虚拟地址到物理地址的转换时使用4级页表结构，如图13-6所示。
与Intel处理器的结构类似，一个进程首先从CR3寄存器中获得页表的基地址指针寄存器“Page Map Level-4 Base Address”，之后通过4级索引最终获得4KB大小的物理页面，完成虚拟地址到物理地址的转换。AMD处理器也支持大页面方式，如果使用三级索引，可以获得2MB大小的物理页面；使用二级索引，可以获得1GB大小的页面。
IOMMU使用的I/O页表结构基于以上结构，但是做出了一定的改动。在IOMMU中，4级I/O页表指针可以直接指向2级I/O页表指针，从而越过第3级I/O页表，使用这种方法可以节省Page Table的空间。如图13-7所示。
图13-6 AMD64虚拟地址到物理地址的页表结构(www.chuimin.cn)
图13-7 IOMMU使用的GPA到HPA的转换机制
当设备进行DMA操作时，首先需要从相应的Device Table的Entry中获得“Level 4 Page Table Address”指针，并定位设备使用的I/O页表，最后使用多级页表结构，最终完成PCI总线地址到HPA地址的转换。Page Table的Entry由64位组成，其主要字段如下所示。
●第51～12位为Next Table Address/Page Address字段，该字段存放下一级页表或者物理页面的地址，该地址为系统物理地址，属于HPA空间。
●第11～9位为Next Level字段，表示下一级页表的级数，其中在Device Table中存放的级数一般为4，Level-N级页表中存放的Next Level字段为N-1～1。
如图13-7所示，在第4级页表的Entry中的Next Level字段为2，表示第4级页表直接指向第2级页表，而忽略第3级页表。当该字段为0b000或者0b111时，表示下一级指针指向物理页面而不是页表。Next Level字段为0b000时，表示所指向的物理页面的大小是固定的，AMD64支持4KB、2MB、1GB、512GB和1TB（SP=4）大小固定页面；如果Next Level字段为0b111时，表示所指向的物理页面大小是浮动的。如果Level 2 Page Table的En-try中的Next Level字段为0b111，表示该Entry指向的物理页面大小浮动，其中物理页面大小和GPA的第29～21位相关，如表13-1所示。
表13-1 Next Level字段为0b111时的页表大小
AMD64处理器使用这种IO页表方式，可以方便地支持4KB、8KB、……、4GB大小的浮动物理页面。除了I/O页表外，IOMMU也设置了IOTLB以加快GPA到HPA地址的转换，这部分内容与IA处理器的实现方式类似，本章不对此继续进行描述。对IOMMU感兴趣的读者可以参考AMD I/O Virtualization Technology Specific ation。
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