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浅析PCIe 6.0 ATS地址转换功能

news 2025/7/29 11:38:35

在现代高性能计算和虚拟化系统中，地址转换（Address Translation）是一个至关重要的机制。随着 PCIe 设备（如 GPU、网卡、存储控制器）直接访问系统内存的能力增强，设备对虚拟内存的访问需求日益增长。

为了提升性能并确保安全访问，Address Translation Services（ATS） 应运而生。

ATS 是 PCIe 规范中的一项关键功能，允许设备（如 Endpoint）在访问内存时自行进行虚拟地址到物理地址的转换，而无需依赖 CPU 的 MMU（Memory Management Unit）或操作系统介入。这不仅提升了性能，也增强了设备的自主性和安全性。

在早期的 PCIe 架构中，设备（如网卡或存储设备）只能通过 DMA（Direct Memory Access）访问物理地址。这意味着设备必须依赖主机（Host）为它分配物理地址，或者由操作系统进行地址映射。

这种方式存在以下问题：

性能瓶颈
：每次地址转换都需要主机介入，导致延迟增加。
虚拟化支持差
：在虚拟化环境中，多个虚拟机共享同一个物理设备，传统的物理地址访问方式难以满足隔离和安全需求。
资源浪费
：需要为每个虚拟机预留连续的物理内存区域。

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为了解决上述问题，PCIe 3.0 引入了 Address Translation Services（ATS）。ATS 允许设备在访问内存时，使用虚拟地址，并通过 IOMMU（Input/Output Memory Management Unit）进行地址转换。设备可以缓存转换结果（ATC，Address Translation Cache），从而减少频繁的转换请求，提高性能。

ATS 的实现依赖于以下关键组件：

组件	描述
IOMMU	输入/输出内存管理单元，负责将设备的虚拟地址转换为物理地址。
MMU	CPU 的内存管理单元，负责将 CPU 的虚拟地址转换为物理地址。
Translation Agent (TA)	负责处理 ATS 转换请求的实体，可以是 IOMMU 或 MMU。
Address Translation Cache (ATC)	设备内部缓存地址转换结果的结构，类似于 CPU 的 TLB。
Address Translation Protection Table (ATPT)	存储地址转换信息的数据结构，由 TA 使用。

设备发起转换请求（Translation Request）: 设备（如 Endpoint）向 Root Complex（RC）发送 ATS Translation Request，请求将虚拟地址转换为物理地址。请求中包含虚拟地址、PASID（Process Address Space Identifier）、访问权限等信息。