> **Source:** ... [论文] 在 ARMv8 环境中对虚拟地址远程 DMA 的 IOMMU 支持

Source: arXiv - 2511.19258v2

概览

本论文展示了 ARM 的系统内存管理单元（SMMU）——平台的 I/O MMU——可以用于对远程 DMA 传输的 虚拟地址 进行翻译，这一能力是 Unimem “虚拟化全局地址空间”愿景所必需的。通过在 Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC 上构建并运行自定义 Linux 内核模块，作者证明了处理系统（PS）和可编程逻辑（PL）中的 DMA 引擎能够安全且透明地操作虚拟地址。

关键贡献

• 首次在真实 ARMv8 MPSoC 平台上验证基于 SMMU 的虚拟地址 DMA。
• 内核模块测试框架，用于编程 SMMU 翻译条目并验证来自 PS 与 PL 的端到端 DMA 流程。
• 动态页表共享：一个模块将 SMMU 指向用户空间页表，消除对静态虚拟‑物理映射的需求。
• 完整的 SMMU 编程模型文档，填补了 Linux 上游文档的空白。

方法论

1. 平台选择 – 之所以选择 Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC，是因为它将 ARMv8 CPU 集群（PS）与可编程逻辑（PL）以及片上 SMMU 集成在一起。
2. 内核模块开发 – 编写了两个自定义模块：
   • 映射模块：向 SMMU 插入显式的虚拟‑物理条目，并触发对该虚拟地址的 DMA 写入。
   • 动态翻译模块：配置 SMMU 使用用户进程的页表基址，让硬件在运行时进行页表遍历。
3. DMA 测试模式 – 分配简单的内存缓冲区，填入已知数据，然后通过 PS‑DMA 引擎或基于 PL 的 DMA IP 进行传输。每次传输后检查目标缓冲区，以确认数据正确移动。
4. 验证 – 作者记录了 SMMU 翻译错误，检查了 IOMMU 页遍历硬件计数器，并将 /proc/iomem 中得到的物理地址与 DMA 期间观察到的地址进行对比。

所有实验均在单节点上完成；Unimem 的多节点一致性部分留待后续工作。

结果与发现

这些实验证明 SMMU 可以作为真正的 IOMMU 用于 虚拟地址远程 DMA，能够处理 CPU 侧和 FPGA 侧的 DMA 引擎。动态方式显示单一 SMMU 配置即可服务整个用户进程，极大简化了软件栈。

实际意义

• 简化的编程模型 – 开发者可以像访问普通内存一样对虚拟指针发起 DMA，无需手动固定和管理物理地址。
• 安全与隔离 – 由于 SMMU 强制执行每个进程的页表，恶意 DMA 不会意外访问其他进程的内存，符合现代零信任设计。
• 加速器集成 – 基于 FPGA 的加速器（如 AI 推理引擎）可以直接连接到 PL DMA 引擎并操作用户空间缓冲区，降低延迟并减少 CPU 开销。
• 分布式共享内存的基础 – 在节点之间翻译虚拟地址是实现 Unimem 等系统的前提，这类系统旨在为异构计算节点集群提供单一地址空间。
• 工具链提升 – 本工作中创建的内核模块和文档可作为需要 SMMU 支持的开源驱动（如 RDMA 网卡、高速存储）的起点。

局限性与未来工作

• 单节点范围 – 本论文仅在一块 MPSoC 上验证了 SMMU 行为；向多节点一致性（Unimem 的最终目标）扩展仍未测试。
• 特性覆盖 – 未探索 SMMU 的高级功能，如流 ID、地址空间标识符以及错误处理回调。
• 性能分析 – 工作侧重于正确性；虚拟地址翻译相对于传统物理 DMA 的延迟/吞吐量定量影响留待后续基准测试。
• 可移植性 – 自定义模块针对 Xilinx 的 Zynq UltraScale+；将此方法迁移到其他 ARMv8 平台（如 Qualcomm、NXP）可能需要额外的驱动工作。

未来研究可以将概念验证扩展为完整的分布式内存系统，评估性能权衡，并将 SMMU 启用的 DMA 路径集成到主流 Linux 驱动中。

作者

• Antonis Psistakis

论文信息

• arXiv ID: 2511.19258v2
• 分类: cs.DC, cs.AR
• 发布日期: 2025 年 11 月 24 日
• PDF: Download PDF