Linux arm64 IOMMU总结

一、DMA的引入

Non-DMA：CPU直接与设备进行数据交互，CPU的负载会随着数据的读写而增加；
DMA：CPU不参与数据的直接传输，DMA Controller负责Device与Memory之间的数据搬运，并以中断信号的形式通知CPU；
可以看出，DMA可以提高CPU的使用率。

二、IOMMU与DMA的关系

可以看出，IOMMU是DMA过程中的一环，也是实现DMA的一种手段。

三、IOMMU的作用

1、IOMMU是设备访问物理地址的媒介， IOMMU使得设备无法直接访问物理地址，大大增加了设备进行DMA攻击的难度。（安全性）

2、部分设备的引脚数较少，导致其位数较低，无法寻址到整个物理内存空间。（成本原因？越多引脚意味着更大的寻址范围（越多的bit位））

以目前主流的32位设备为例，其在物理内存中直接寻址的范围是[0, 4GB)。但是，现代操作系统的内存往往大于4GB。如果设备申请DMA时，内核为设备分配的DMA buffer的地址高于4GB（以下简称为“high buffer”），则设备将无法寻址到它。
有了IOMMU以后，IOMMU就可以在[0, 4GB)范围内分配一段与高地址buffer长度相同的内存，让设备能够直接寻址（以下称为“low buffer”）。设备向low buffer写入后，IOMMU就会将low buffer中的内容，复制到high buffer，而后通知CPU从high buffer读取内容。反之亦然——CPU向high buffer写入后，IOMMU就会将high buffer中的内容，复制到low buffer，而后通知设备从low buffer读取内容。这样，CPU和设备都能读取到对方写入的内容。这样在high buffer和low buffer之间复制内容的操作，在IOMMU机制中被称为“sync”或“bounce”。（重点）

读者可能会想，内存的复制，在内核中，不就是调用memcpy()函数来实现的吗？没错，这就是本文要介绍的IOMMU的软件实现方式——SWIOTLB。之所以说是软件实现，是因为sync操作在底层正是调用memcpy()函数，这完全是软件实现的。

四、SWIOTLB

SWIOTLB（software input/output table translation lookaside buffer）（软件IO地址转换缓冲区）

SWIOTLB的作用在于，使得寻址能力较低、无法直接寻址到内核所分配的DMA buffer的那些设备，也能够进行DMA操作。

在目前主流的Linux操作系统中，SWIOTLB发挥作用的场合并不多见。这主要是由于以下原因：

现代的外部设备，通常都是32位或64位设备。64位设备毫无疑问可以直接寻址整个物理内存空间；而32位设备能够直接寻址的范围也达到了4G。如果操作系统运行内存不大于4G，则所有内存都可以被这些设备直接寻址到，此时设备的DMA操作，就无需SWIOTLB的辅助。
相比硬件IOMMU，SWIOTLB存在memcpy()操作，需要CPU的参与，降低了效率，这是软件实现的固有弊端。
后面的文章将会提到，如果启动参数中同时启用SWIOTLB和硬件IOMMU（即Intel IOMMU），那么当Linux系统启动完成后，SWIOTLB将会被禁用，而仅保留硬件IOMMU。

未完待续，持续更新

参考文章：

看完秒懂：Linux DMA mapping机制分析_dma map single-CSDN博客

Linux x86-64 IOMMU详解（一）——IOMMU简介_ioxumux-CSDN博客