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RISC-V IOMMU 硬件设计学习计划｜第 1 天：IOMMU 在 RISC-V SoC 中解决什么问题

news 2026/7/28 0:24:20

RISC-V IOMMU 硬件设计学习计划｜第 1 天：IOMMU 在 RISC-V SoC 中解决什么问题

> 计划日期：2026-07-27。本系列基于官方 RISC-V IOMMU Architecture Specification 与官方 `riscv-iommu/iommu_ref_model` C 参考模型整理。本文自包含阅读，不要求读者同时打开规范或代码仓库。

当日主题

今天建立全局视图：IOMMU 位于 IO bridge 与系统内存之间，拦截设备发出的 DMA、ATS 翻译请求、PRI Page Request 和 MSI 写请求。它的核心任务不是“让设备更快访问内存”，而是在可控性能成本下，把设备访问纳入和 CPU MMU 类似的地址翻译、权限检查、隔离、虚拟化与故障报告框架。

核心概念与原理讲解

没有 IOMMU 时，DMA-capable 设备通常可以用总线地址直接访问内存。一旦设备固件、驱动或硬件出错，就可能覆盖内核、其他进程或其他虚拟机的内存。RISC-V IOMMU 通过每个设备的 `device_id` 查找 Device Context（DC），并按 DC 中的控制字段决定该设备的 IOVA 应怎样被翻译。

四类典型模式：

1. `Bare/Bare`：第一阶段和第二阶段都关闭，IOVA 近似作为 SPA 使用，主要用于早期启动或受信任设备。

2. 第一阶段开启、第二阶段 Bare：设备使用进程/内核虚拟地址，IOMMU 执行 S-stage 翻译，适合 native OS 下的 DMA remap 或 SVA。

3. 第一阶段 Bare、第二阶段开启：设备被直通给 VM，guest 驱动看到 GPA，IOMMU 用 G-stage 把 GPA 限制到该 VM 的 SPA。

4. 两阶段都开启：设备请求 VA，先 VS/S-stage 得到 GPA，再 G-stage 得到 SPA，适合带 PASID/SVA 的虚拟化直通。

设备侧有三类地址类型：Untranslated、Translated、PCIe ATS Translation Request。Untranslated 表示设备提交的地址仍需 IOMMU 判断；Translated 表示设备声称地址已由设备 ATC 缓存翻译；ATS Translation Request 表示设备请求 IOMMU 返回翻译结果以填充 DevATC。

关键流程与硬件行为分析

一个普通 DMA 读写进入 IOMMU 后，硬件可抽象为流水线：

```text

IO bridge request

-> 解析 device_id / process_id / transaction type

-> 检查 ddtp.iommu_mode

-> DDT walk 定位 Device Context

-> 如有 PASID/process_id，PDT walk 定位 Process Context

-> 查询 IOATC；miss 时执行一阶段/二阶段 page-table walk

-> 可选 MSI 识别与 MSI page-table 翻译

-> 返回 SPA、权限、PBMT、MSI/MRIF 标志或报告 fault

```

从硬件实现角度，要把 IOMMU 看成一个带内存读端口的翻译协处理器。它不只处理设备请求，还会主动发起隐式内存访问：读取 DDT、PDT、页表、命令队列、故障队列、页请求队列和 MSI 表。这些访问需要 QoS、endianness、PMA/PMP/总线错误处理，并且不能被原始设备请求阻塞到死锁。

对应代码片段解读

参考模型的请求结构浓缩了硬件输入面：

```c

// host bridge 输入到 IOMMU 的抽象请求，参考 iommu_req_rsp.h

typedef struct {

uint32_t device_id; // 最多 24 位设备身份，PCIe 可映射为 BDF/RID+DSEG

uint8_t pid_valid; // 是否携带 process_id/PASID

uint32_t process_id; // 最多 20 位进程身份

uint8_t no_write; // ATS translation request 可请求 no-write

uint8_t exec_req; // 读是否带 execute intent

uint8_t priv_req; // 1=Supervisor, 0=User

iommu_trans_req_t tr; // 地址类型、IOVA、长度、读写属性

} hb_to_iommu_req_t;

```

主入口在 `iommu_translate.c`。它先统计请求类型，再从 `ddtp.iommu_mode` 判断 Off/Bare/DDT 模式；随后调用 `locate_device_context()`、`locate_process_context()`、`lookup_ioatc_iotlb()` 和 `two_stage_address_translation()`。这正好对应硬件中的配置检查、上下文缓存、TLB lookup 和 page-walk pipeline。