SUA(System Unified Address )原理分析

CPU与外设的统一虚拟地址寻址是OpenCL SVM的基石，为OpenCL和AI计算编程提供了生产力工具。

1. 64 位地址空间的实际使用限制

在 AMD64 和 IA64 架构中，虽然理论上提供了 64 位（2^64 ≈ 18.4 亿 TB）的虚拟地址空间，但 CPU 实际仅使用其中的一部分：

• 低地址区域：VA[63:47] = 0（0x00000），覆盖地址范围 0x0000 0000 0000 ~ 0x0000 FFFF FFFF（约 256TB）

• 高地址区域：VA[63:47] = 0x1FFFF（全 1），覆盖地址范围 0xFFFF 0000 0000 ~ 0xFFFF FFFF FFFF（约 256TB）

• 中间区域：VA [63:47] 为 0x00001 ~ 0x1FFFE 的范围，这部分地址空间被称为空洞（Hole），CPU 无法直接访问。

因此，实际有效的虚拟地址宽度为 48 位（2^48 ≈ 256TB），这是硬件设计的限制，而非软件限制。

2. 为什么会有 “空洞”

这种设计主要出于以下考虑：

1. 兼容性：保持与 32 位系统的向后兼容性，低地址区域（0~4GB）可直接映射到 32 位地址空间。

2. 简化硬件：减少需要处理的地址位数，降低地址转换硬件的复杂度。

3. 安全隔离：空洞区域可用于防止意外或恶意访问，增强系统安全性。

3. GPU 如何利用这个 “空洞”

在 SUA（系统统一寻址）模式下，GPU 会将自己的GPUVM 地址空间（40 位，2^40 ≈ 1TB）映射到这个空洞区域：

• GPUVM 的 40 位地址被扩展为 64 位，高 17 位（VA [63:47]）通常设置为 0x00001 或其他未被 CPU 使用的值。

• 例如，GPUVM 地址 0x0000 0000 1234 可能被映射为 64 位地址 0x0000 1000 0000 1234，落在空洞区域内。

这样，GPU 可以同时访问：

• ATC 地址空间（通过 IOMMU 访问系统内存，对应 CPU 的低区和高区）

• GPUVM 地址空间（通过 GPUVM 页表访问专用内存，对应空洞区域）

4. 地址转换流程示例

假设 GPU 要访问一个 64 位地址 0x0000 1000 0000 1234：

1. 判断地址归属：检查高 17 位（VA [63:47] = 0x00001），发现属于 GPUVM 空洞区域。

2. 地址压缩：

   • 从 64 位地址中减去GPUVM_Base（例如 0x0000 1000 0000 0000），得到 40 位相对地址 0x0000 0000 1234。

   • 设置ATC 位 = 0，表示使用 GPUVM 页表。

3. 地址转换：通过 GPUVM 页表将 40 位地址转换为物理地址。

若地址属于 ATC 空间（如 VA [63:47]=0 或 0x1FFFF），则：

1. 直接使用低 48 位地址（VA [47:0]）。

2. 设置ATC 位 = 1，通过 IOMMU 转换为物理地址。

5. 图示说明

6.总结

• CPU 限制：AMD64/IA64 CPU 仅使用 64 位地址空间中的 48 位，形成中间空洞。

• GPU 优化：GPU 利用这个空洞区域映射自己的 GPUVM 地址空间，实现与系统内存的统一寻址（SUA）。

• 地址转换：通过 ATC 位和孔径机制，硬件自动区分访问路径（ATC/IOMMU 或 GPUVM），确保高效且安全的内存访问。