手把手教你学PCIE--PCIe 的 ATS (Address Translation Services) 功能详细介绍

已于 2025-01-08 16:19:38 修改
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分类专栏： 手把手教你学 PCIe 专栏简介 文章标签： pcie
于 2025-01-08 16:16:48 首次发布
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PCIe 的 ATS (Address Translation Services) 功能详细介绍

1. 什么是 ATS？

2. ATS 的工作原理

2.1 页表（Page Table）

2.2 PASID（Process Address Space Identifier）

2.3 TLB（Translation Lookaside Buffer）

2.4 页表无效化（Page Table Invalidation）

3. ATS 的应用场景

3.1 I/O 虚拟化

3.2 SR-IOV（Single Root I/O Virtualization）

3.3 DMA（Direct Memory Access）优化

3.4 安全增强

4. ATS 的配置方式

4.1 检查硬件支持

4.2 配置虚拟机管理器

4.3 配置 PCIe 设备

4.4 测试和验证

5. ATS 的优势

5.1 提高 I/O 性能

5.2 简化虚拟化管理

5.3 增强安全性

5.4 支持大规模虚拟化

6. 总结

FAQ:ATS 和 ATU 之间的区别

ATS (Address Translation Services) 和 ATU (Address Translation Unit) 不是同一个概念，但它们都与 PCIe 设备中的地址转换相关。以下是它们的详细区别和解释：

1. ATS (Address Translation Services)

定义

功能

应用场景

2. ATU (Address Translation Unit)

定义

功能

应用场景

3. ATS 和 ATU 的区别

4. 总结

PCIe 的 ATS (Address Translation Services) 功能详细介绍

ATS（Address Translation Services，地址转换服务）是 PCIe 3.0 及以上版本引入的一项重要功能，主要用于支持 I/O 虚拟化环境中的地址转换。它允许 PCIe 设备直接参与虚拟机的内存管理，从而提高 I/O 操作的效率和安全性。以下是关于 PCIe ATS 功能的详细介绍，涵盖其工作原理、应用场景、配置方式以及优势。

1. 什么是 ATS？

ATS 是一种硬件辅助的地址转换机制，旨在解决多虚拟机（VM）环境中 PCIe 设备访问物理内存时的地址映射问题。在传统的 I/O 虚拟化中，每个虚拟机都有自己的虚拟地址空间，而 PCIe 设备通常只能访问物理地址空间。这导致了两个问题：

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【ARMv8/v9 SMMU 专栏 3.3 -- SMMU 中的 ATS 功能介绍】
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08-25 196
ATS 目的：通过缓存端点或请求者的翻译结果来提高系统性能，从而减少共享 TLB 的争用和延迟。：类似于 TLB，存储翻译结果。ATC 按需填充，通过向根复合体发出翻译请求，再由根复合体转发给 SMMU。翻译完成响应：如果翻译成功并通过权限检查，返回物理地址并将其缓存到 ATC 中。翻译失败：如果翻译失败或权限检查失败，将返回负响应，端点不能使用 ATS 访问该地址。ATS 目的：提高系统性能，减少翻译延迟。ATC：缓存翻译结果，减少共享 TLB 争用。权限检查。
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主机侧通常由CPU、芯片组和操作系统（包括BIOS/UEFI和驱动程序）负责，而设备侧由PCIe设备的硬件和固件（FW）负责。以下是具体的初始化流程，以及主机侧和设备侧的协调过程。| 主机侧 | | PCIe链路 | | 设备侧 || 8. 设备初始化 | |主机侧通过配置空间访问设备侧的寄存器，获取设备信息（如厂商ID、设备ID）。
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本文还有配套的精品资源，点击获取 简介：ATS（自动转换开关）是电力系统中的关键设备，用以在主电源和备用电源之间实现无扰动切换，保证电力供应连续性。施耐德电气作为全球电气设备领导者，提供的双电源解决方案包括多种类型的ATS产品及其详细资料。ATS的设计原理、产品类型、控制逻辑、安全特性、安装维护和应用案例都包含在资料之中，这些信息对于电气工程师了解和应用ATS至关重要。 ...
一文带你深入了解 PCIe ATS
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ATS之于iommu就相当于TLB之于cpu，其起到的作用不言自明。但是目前支持ATS的设备并不多，一方面是因为大部分业务场景下对这一块感知并不明显，那部分感知比较明显的比如HPC，机器学习这些业务主要依赖GPU，NV针对这些limit也早就做了优化比如gpudirect等；还就是在设备上增加cache也是需要成本的，本来设备上的SRAM也没有多大，另外就是非虚拟化场景intel iommu也支持PT的方式从而避免了iova的转换的开销。但是随着云原生和serverless的出现，可能就不一样了。
PCIe的ATS机制
yiyeguzhou100的专栏
11-27 3083
而根据现今大量学术界和工业界的研究表明，决定查表性能的好坏的一个最为关键的点是TLB的预测。而ATS的机制恰好提供了一个TLB的预测卸载到源头去的机制，让用户（设备）自己根据自己自身的业务流来设计自己的预测策略，而且用户彼此之间的预测模型不会受到彼此的影响，从而大大提高了用户自己的预测的准确性。因此，对于malicious设备，或者是被入侵的设备，又或者是设备自身设计的bug，其会发出PA访问那些其没有权限访问或者是不属于其的物理地址空间，从而带来系统的isolation的破坏，系统安全的威胁等安全问题。
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主机侧使用IOMMU完成设备地址到物理memory地址的转换，以及设备访问权限的检查。但如果所有PCIe设备都在进行DMA操作，则TA（Translation Agent）和ATPT（Address Translation and Protection Table）则会成为瓶颈，从而影响系统的latency。
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bortonyu的博客
12-02 415
2. pri是为了解决dma的时候不用先把所有的数据都放到memory，而是通过pcie 设备发出page request给rc，rc的smmu再实现把所有的页都准备好放到pri queue中，然后在通过ep可以进行dma了。1. ats是把解决本地smmu的tlb无法很好的解决多个pcie设备地址命中的问题，所以把tlb的功能放到远端的pcie设备端的ATC。
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PCIe 系统架构由 Root Complex、Switch、Endpoint 等主要组件组成，通过链路连接在一起，形成一个灵活且高效的拓扑结构。理解这些组件及其功能，可以帮助你更好地设计和调试 PCIe 系统。希望这些详细的解释和图解能够帮助你更好地理解和应用 PCIe 技术。
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at 是pcie报文中两个bit表示当前访问是否经过了iommu转换了 一般第一次ats转换后 由atc中缓存，下次使用直接atc取然后tlp报文at标记已转换 所以是基于信任的 当然同时带来了问题。at是pcie tlp报文中的字段2bit 表示这个报文是否已经转换地址 如果atc查到就会标记为已转换 同时也可能被恶意标记。ats atc是地址转换的两种功能 s是第一次在rc去请求转运地址 c是第一次转换后的缓存 类似cpu的tbl。如果是虚拟地址 就需要到iommu去做地址转换 需要转换就标记at。
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❤️ PCIe TLP Prefix & PASID TLP Prefix 介绍 ❤️
PCIe ATS 怎么 使用
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<think>好的，用户想了解如何使用PCIe ATS功能，需要配置的步骤和示例。首先，我需要回忆一下PCIe ATS的基本概念。ATS是地址转换服务，允许设备直接请求虚拟地址到物理地址的转换，减少对SMMU或IOMMU的依赖，提升性能。根据引用[4]，ATS需要设备支持，并且与SMMU协作。 接下来，我应该整理使用ATS的步骤。首先，硬件支持是必须的，设备需要兼容ATS，同时系统要有SMMU或IOMMU。然后是系统软件配置，比如在Linux中启用ATS支持，可能需要内核参数或驱动模块加载。设备驱动配置部分，可能需要修改驱动代码来启用ATS功能，比如调用相关API注册ATS请求处理函数。 然后是ATS请求流程，设备发送ATS请求，SMMU处理并返回物理地址，设备缓存结果到ATC，后续直接使用。示例部分可以参考引用[4]中的网络适配器和虚拟化环境，比如启用ATS后，设备请求地址转换并缓存，这样后续访问就不需要经过SMMU了。 验证和调试部分，用户可能需要查看系统日志，使用ATS相关的调试工具，或者通过性能测试确认ATS是否生效。此外，注意事项也很重要，比如硬件兼容性、缓存一致性、安全策略等。 最后生成相关问题，考虑用户可能的后续问题，比如ATS与其他技术的比较，调试方法，虚拟化中的应用，以及安全风险。确保覆盖用户可能感兴趣的各个方面。</think>### 如何使用 PCIe ATS（Address Translation Services）功能 PCIe ATS（地址转换服务）是一种优化设备直接内存访问（DMA）性能的机制，允许设备通过缓存地址翻译结果（存储在设备的 ATC 中）减少对系统内存管理单元（如 SMMU 或 IOMMU）的依赖[^4]。以下是配置和使用 ATS 的步骤与示例： --- #### **1. 硬件支持验证** - **设备支持**：确认 PCIe 设备支持 ATS 功能（通过 PCIe 配置空间检查 `ATS Capability` 字段）[^2]。 - **系统支持**：确保系统芯片组或根复合体（Root Complex）支持 ATS，并已启用 SMMU/IOMMU 功能。 --- #### **2. 系统软件配置** - **启用 ATS 支持**： - 在操作系统中加载支持 ATS 的驱动模块（如 Linux 内核需启用 `CONFIG_PCI_ATS` 选项）。 - 配置 SMMU/IOMMU 以接受 ATS 请求（例如，在 ARM 系统中设置 `SMMU_HTTU` 参数）。 --- #### **3. 设备驱动配置** - **初始化 ATS**： ```c // 示例代码片段（Linux 驱动） pci_enable_ats(pdev, PAGE_SIZE); // 启用 ATS，设置页面大小 pci_set_ats_page_range(pdev, 0, max_pages); // 定义可翻译的地址范围 ``` - **注册翻译请求回调**： 设备驱动需实现 ATS 请求的响应逻辑，例如处理翻译无效（Translation Invalidation）事件。 --- #### **4. ATS 请求流程示例** 1. **设备发起 ATS 请求** 当设备需要访问内存时，发送包含虚拟地址（VA）的 ATS 请求至 SMMU。 2. **SMMU 处理翻译** SMMU 检查翻译表并返回物理地址（PA）或错误码。若成功，设备将 PA 缓存至 ATC。 3. **直接访问内存** 后续设备可直接使用缓存的 PA 进行 DMA 操作，无需重复请求翻译。 --- #### **5. 实际应用示例** **场景**：网络适配器通过 ATS 优化 DMA - **步骤**： 1. 启用适配器的 ATS 功能（通过驱动配置）。 2. 适配器首次访问虚拟地址 `0x1000` 时发送 ATS 请求。 3. SMMU 返回物理地址 `0x2000`，适配器缓存该结果。 4. 后续访问 `0x1000` 时直接使用 `0x2000`，跳过 SMMU 处理。 --- #### **6. 验证与调试** - **日志检查**：通过系统日志（如 `dmesg`）确认 ATS 是否成功启用。 - **性能测试**：对比启用 ATS 前后的 DMA 延迟（例如使用 `perf` 工具）。 - **调试工具**：利用 `lspci -v` 查看设备的 ATS 支持状态。 --- #### **注意事项** - **缓存一致性**：若地址翻译表发生变更（如虚拟机关机），需通过 `INVALIDATE` 消息通知设备清除 ATC。 - **安全策略**：ATS 需与 IOMMU 的安全域（Security Domain）策略兼容，避免非法地址访问。 ---
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