面向芯片/SoC验证工程的IOMMU全景速览

       摘要：面向芯片/SoC 验证工程的 IOMMU 全景速览：包含基础概念、主流架构要点（ARM SMMU、Intel VT‑d、RISC‑V IOMMU），Linux 软件栈关系，SoC 上的验证方法（功能、错误、性能、系统化流程和覆盖），以及一个可用的“通用 IOMMU C 参考模型”（便于接入 UVM/系统级仿真做对比/记分）。

一、IOMMU 是什么，解决什么问题

• 作用

  • DMA 虚实地址转换：把设备发出的 IOVA（IO 虚拟地址）转换为物理地址（PA）或中间物理地址（IPA），并施加权限检查（R/W/X）与内存属性。
  • 隔离与安全：把设备划入不同隔离域（domain），防御恶意/越界 DMA。
  • 虚拟化：两阶段翻译（Stage‑1/Stage‑2），支撑来宾 OS（S1）和宿主/管理程序（S2）共管地址空间。
  • SVA（Shared Virtual Addressing）：设备和进程共享同一虚拟地址空间，通常通过 PASID 识别进程上下文。
  • 端到端地址服务：配合 PCIe ATS/PRI/PASID，降低 IOTLB 缺失开销，支持按进程页请求。
  • 中断重映射：将设备发出的 MSI/MSI‑X 重定向到平台中断控制器，施加隔离。

• 关键术语

  • IOVA/GVA/IPA/PA：设备看到的虚拟地址/进程虚拟地址/中间物理/最终物理地址。
  • RID/BDF、Stream ID/SSID、PASID：识别设备或其子流（substream/进程）的标识。
  • Domain/Context：一组设备共享的地址空间与权限配置。
  • IOTLB/ATC：IOMMU 侧 TLB/设备侧地址转换缓存（PCIe ATS）。
  • ATS/PRI：Address Translation Service / Page Request Interface（设备在缺页时向主机申请映射）。
  • TLBI/Sync：IOMMU TLB 失效与屏障，同步页表更新的可见性。

二、主流架构速记

• ARM SMMU

  • v2：以 Stream ID 映射到 Context Bank；支持 S1/S2；典型 AXI 接口。
  • v3：面向 PCIe 原生生态，Stream Table Entry（STE）→ Context Descriptor Table（CD）；支持 PASID/SSID、ATS/PRI、命令队列（CMDQ）、事件队列（EVTQ）、PRI 队列（PRIQ）与 MSI doorbell；TLB 失效与 CMD_SYNC 时序保证。
  • 页表格式与权限模型近似 ARMv8 VMSA；叶子/块映射（4K/2M/1G）。

• Intel VT‑d（DMA Remapping）

  • Root/Context/PASID 表层次，支持 Scalable Mode、Device‑TLB、Posted Interrupts、基于队列的失效指令与事件上报。
  • 可与 PCIe ATS/PRI 协同，隔离粒度到函数级（RID）或 PASID。

• RISC‑V IOMMU（1.0 规范背景）

  • 与 Sv39/Sv48 协作的两阶段翻译；PASID/SVA；设备页请求与错误上报机制；属性/权限对齐 RISC‑V MMU 语义。

三、Linux 软件栈与调试要点

• iommu 子系统：iommu‑api、iommu‑groups、domains、attach/detach。
• 驱动：arm_smmu/arm_smmu_v3、intel‑iommu、riscv‑iommu。
• VFIO/virtio‑iommu、DMA‑API（dma_map_*）、SVA（绑定 PASID 到 mm）。
• 调试：dmesg 的 IOMMU faults、debugfs/sysfs（如 arm_smmu_v3 下的 cmdq/evtq 统计）、perf/ftrace 采样缺页/失效路径。

四、SoC 上验证 IOMMU 的方法

4.1 环境搭建（建议）

• 事务源

  • PCIe 设备 BFMs/Agent（含 ATS/PRI/PASID 能力，或 AXI 主设备代理）。
  • 多主并发：不同 RID/StreamID/SSID/PASID。

• 内存/页表

  • 可编程 DRAM 模型，暴露页表区域；提供“OS 代理”驱动页表更新、IOMMU 命令队列写入和 TLBI。

• 监测与对比

  • 总线监测：AXI/PCIe Monitor 获取 IOVA 事务与 IOMMU 翻译后的 PA 事务。
  • 参考模型：C Model 做期望翻译；Scoreboard 比对，记录属性/权限/错误一致性。
  • 队列/中断监测：CMDQ/EVTQ/PRIQ 的内存写入与 doorbell MSI；中断控制器接收情况。

4.2 典型功能用例与覆盖点

• 翻译成功路径

  • 页尺寸：4K/2M/1G（或平台支持的所有块/页）；跨页/跨块连续与非连续；边界对齐/非对齐突发。
  • 权限：R/W/X 组合；设备特权/非特权；不可缓存/可缓存、内存类型/可共享性传播。
  • Stage‑1/Stage‑2 各自启停与组合；直通/旁路模式。

• 错误/异常

  • 不存在页（PTE invalid）、权限拒绝、访问超范围、页表对齐错误、页表循环/保留位错误、长度超页、设备未配置 Context。
  • PRI/ATS 路径：ATC 命中/未命中；PRI 请求、完成；设备在 IOMMU PRIQ 背压/溢出处理。
  • 事件/故障上报：队列满、队列指针错误、doorbell 丢失、MSI 映射错误。