1. 为何PCIe需要ATS？

✨1.1 为何需要DMA地址转换？

为节省CPU资源，IO function常采用DMA方式访问内存。虽说在诸多实现方案中IO function看到的物理地址空间与CPU无异，但也不乏例外。在有些方案中，IO function看到的地址空间只是真实物理空间的handle，需要RC将DMA请求进行一次地址转换才能将访问到真实物理存储地址，此外还涉及到DMA访问地址空间的合法性检查。幸好，目前绝大部分系统结构都支持对来自IO function的DMA请求进行地址转换。

✨1.2 DMA地址转换的益处

确认IO function DMA 请求的合法性，防止非法DMA请求产生破环；

支持scatter-gater，通过地址转换，scatter-gather DMA一次传输访问多个物理上不连续的地址块；

通过改变传输地址，RC无需与IO function协调即可实现消息信号中断的重定向；

可以将32bit位宽的IO funtion映射到更大的系统地址空间；

易于实现虚拟化传输。

✨1.3 DMA地址转换的不良影响及解决方案

RC进行DMA地址转换是需要时间的，相较于不进行地址转换，显然进行DMA地址转换会增加DMA访问的时间。尤其是访问驻留内存转换表时，采用地址转换的方案会大大增加DMA访问的时间。当单次传输需要多次内存访问时，地址转换无疑会大大降低传输效率。

为了减小地址转换的以上不良影响，设计人员常常在需要进行地址转换的地方添加地址转换缓存（Address Translation Cache, ATC）。在CPU中，这种地址转换缓存通常是指转译后备缓冲区（Translation Look-aside Bufer, TLB）；在IO地址转换中，我们常用ATC来跟CPU的TLB加以区分。TLB与ATC的区别：TLB一次只服务于CPU的单个线程，而ATC服务于PCIe设备的多个IO function，每个IO function都相当于一个独立的线程。

✨1.4 设备采用ATC的益处

设备端的ATC能够减轻地址转换代理（Translation Agent, TA）的地址转换压力；

开启了ATC使设备对系统ATC size的依赖更小；

发往中心复合体的地址都是预先转换过的，潜在减小了访问时延，增加传输效率。

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🔥 2. ATS协议介绍

PCIe设备及根复合体RC之间采用请求-完成协议来实现地址转换服务ATS。ATS主要包括两部分：

地址转换（Translation）：用以将ATPT中的转换地址缓存到本地ATC，包括地址转换请求及地址转换完成。

地址作废（Invalidation）：用以当ATPT中地址转换发生变化时，将ATC中的对应转换地址作废，包括地址转换作废请求及地址转换作废完成。

✨2.1 ATS地址转换协议（ATS Translation）

PCIe Device/Function发送存储器读写请求前，首先在本地ATC查找是否有该地址的Entry。该地址为转换前地址，是DMA看到的虚地址；该地址在ATC中的Entry是指该虚地址经过地址转化后的真实物理地址。若在ATC内查找成功，直接采用转换后地址进行访问，否则给TA发送该虚地址的地址转换请求。

上图展示了一个基本的ATS转换请求-完成的操作。其动态工作流程如下：

Device/Function产生ATS转换请求，经PCIe拓扑路由到达RC，RC将该请求推给TA；

TA在收到地址转换请求后，查找其本地ATPT，并给Device/Function反馈查找结果（成功或失败）。

2.1.1 ATS地址转换请求

为了实现ATS，存储器读写TLP头标中新定义了地址类型（Address Type, AT）域来表征Device发给RC的地址是否经过了地址转换、是否为地址转换请求。AT域是存储器读请求、AtomicOp及ATS地址转换请求的专属域，在其他事务中该域为Reserved预留。

AT域值解释如下：00b->未转换的地址；01b->地址转换请求；10b->已转换的地址；11b->预留。TA检测到AT=11b时会当成UR处理。

1）ATS地址转换请求帧格式

带有ATC的Device可以选择发送经过/未经地址转换的存储器访问请求。存储器访问请求的TLP头标（64bit）格式如下图所示。ATS地址转换请求的TLP头标格式与存储器读请求TLP头标格式相似，ATS地址转换请求头标格式如下图所示。

比较可见，地址转换请求与ATS地址转换请求TLP头标的主要区别在于以下3点：

① 地址转换请求的AT=01b，存储器读请求的AT=00b或10b；

② 地址转换请求的地址位[11:0]预留，存储器读请求的地址为[1:0]预留；

③ 地址转换请求有NW域，存储器读请求没有NW域。

地址转换请求头标中其他各域补充解释如下：

Attr: 转换请求及转换完成没有排序要求，设置该域开启宽松排序，开启宽松排序后TA可根据实际情况决定是否对其收到的事务进行重排，此时发起请求的Device不能依赖TA保序。

Length: 该域用以表明当前转换请求需要返回多少笔转换完成包，每一笔转换完成包长8Byte，多笔转换完成包的地址间STU（最小转换单位）对齐地址递增。需要注意的是，length值需为偶数，最大值为RCB（读完成边界）。若length超出最大值或为奇数，TA会将该TLP当成畸形包进行处理。

Untranslated Address: 需要进行转换的地址，支持32bit及64bit，该地址域不含地址比特[11:0]，TA依据该地址判断转换请求的有效性。对于请求多笔地址转换的情况，若ATPT中的转换后地址不满足转换请求的范围（2^(STU+12)*length/2），TA不会反馈该笔转换包。如果请求者未设置了页对齐，转换请求地址位比特[11:2]可以是任意值，否则必须为0，TA中也必须忽略[11:2]。

NW: 非写标志位，若该位置一，表明该转换后的地址只读，Device不能往该地址发送写请求。若需要写该地址，需要Device重新发送地址转换请求将该位清除。

2）PCIe系统对ATS地址转换请求的处理

为了减小设计复杂度、简化PCIe系统ATS的集成工作，ATS地址转换请求/完成的处理过程与PCIe读请求/读完成极其相似，在某些方面甚至完全相同，具体表现为：

ATS组件兼容PCIe-1.1组件；

ATS通过新的能力及关联结构进行开启，软件在发送ATS TLP之前需确认该设备具有ATS能力且已开启，否则不能发送ATS TLP，DMA 读写请求中的AT域也应置为0，即未转换的地址。

ATS TLP路由方式为地址或RID路由；

ATS TLP事务排序方式最寻PCIe的事务排序方式；

ATS TLP流经PCIe-1.1交换节点时需保持不变；

Device/Function可以混合发送转换即未转换请求。

TA收到地址转换请求后会进行如下判断及操作：

判断Device/Function是否开启了ATS能力；

判断Device/Function发送的ATS地址转换请求地址是否合法、该Device/Function是否有权限访问该地址；

判断TA自身是否能够响应该ATS请求；

发送转换成功或失败信号给RC，RC产生请求完成TLP回复给发起转换请求的Device/Function。

3）`ATS地址转换请求注意事项` ⚠️⚠️📢📢

Device/Function可以一次连续发送多个地址转换请求，TC可以相同也可以不同。一笔ATS转换请求对应一笔或多笔转换完成，RC一次可以连续返回多笔请求完成TLP，某地址的转换完成TLP的TC需与其转换请求的TC保持一致。
若某虚地址在ATC中没有对应Entry，Device/Function在发送其ATS转换请求并收到转换完成（成功）之前，不能发送标记为translated的该地址存储器访问请求。
ATC只能通过ATS协议进行填充，即发送ATS地址转换请求并收到该地址的转换完成（成功）。
ATC只能通过ATS协议进行修改，主机系统软件只能通过ATS转换作废操作对ATC内容进行修改，其他任何操作都不能修改ATC内容。即使是系统复位、Device/Function的复位操作，也只能更改invalidate entry不能更改ATC内容；

ATS有转换请求超时退出机制，若发出地址转换请求后迟迟等不到转换完成，会超时退出。ATS转换请求的请求超时设置与存储器读请求相同。