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IOMMU多级页表查找的验证

news 2025/8/17 12:50:04

IOMMU多级页表查找的验证

本文将提供：

SystemC参考模型（SC Reference Model）：一个SystemC模块，实现x86风格的页表走查，支持可变级别（2-5级）。这是一个行为级黄金模型（golden model），用于验证Verilog RTL的正确性。模型使用SystemC 2.3+，模拟内存读取和走查过程。
完整IOMMU Verilog模块：基于前述页表walker扩展成一个更完整的IOMMU模块，包括TLB（简单缓存）、配置寄存器（级别、root_base）和fault处理。支持可变级别。
Verilog Testbench：一个完整的testbench，实例化IOMMU模块，模拟内存（reg array for页表示例），注入多种测试场景（不同级别、hit/miss、fault），并与SystemC模型比较输出（通过VPI或简单日志）。

注意：

编译/运行：
- SystemC：需SystemC库（e.g., g++ -o sc_model sc_model.cpp -lsystemc）。
- Verilog：用iverilog或VCS（e.g., iverilog -o tb tb_iommu.v iommu.v ; vvp tb）。
- Testbench中，我简化了SystemC集成（通过日志比较）；实际中，可用VSI（Verilog-SystemC Interface）或co-simulation工具如Verdi。
假设：4KB页，48位地址，简化无大页/权限检查。实际IOMMU更复杂（e.g., 支持ATS、两级翻译）。
覆盖：Testbench覆盖2-5级、fault、TLB hit/miss。

如果您需要进一步扩展（如两级翻译、ATS支持或UVM集成），请告知。

SystemC参考模型（SC Reference Model）

这是一个SystemC模块，模拟页表走查的参考行为。支持可变级别，通过SC_THREAD处理请求。内存用sc_fifo模拟（实际可替换为array）。

#include "systemc.h"#define ADDR_WIDTH 48
#define LEVEL_BITS 9
#define ENTRY_WIDTH 64
#define MAX_LEVELS 5
#define FAULT -1LLSC_MODULE(sc_page_walker) {sc_in<bool> clk;sc_in<bool> reset_n;// 输入端口sc_in<bool> start;sc_in<sc_uint<ADDR_WIDTH> > va;sc_in<sc_uint<3> > levels;  // 2-5sc_in<sc_uint<ADDR_WIDTH> > root_base;// 输出端口sc_out<bool> done;sc_out<bool> fault;sc_out<sc_uint<ADDR_WIDTH> > pa;// 模拟内存 (简单array, 假设足够大)sc_uint<ENTRY_WIDTH> memory[1 << 20];  // 示例大小SC_CTOR(sc_page_walker) {SC_THREAD(walk_process);sensitive << clk.pos();async_reset_signal_is(reset_n, false);}void walk_process() {while (true) {wait();if (!reset_n.read()) {done.write(false);fault.write(false);pa.write(0);continue;}if (start.read()) {sc_uint<ADDR_WIDTH> current = root_base.read();sc_uint<3> lvl = levels.read();sc_uint<ADDR_WIDTH> vaddr = va.read();bool is_fault = false;sc_uint<ADDR_WIDTH> result_pa = 0;if (lvl < 2 || lvl > MAX_LEVELS) {is_fault = true;} else {int shift = 12 + (LEVEL_BITS * (lvl - 1));for (int level = lvl; level > 0; level--) {sc_uint<LEVEL_BITS> index = (vaddr >> shift) & ((1 << LEVEL_BITS) - 1);sc_uint<ADDR_WIDTH> entry_addr = current + (index * (ENTRY_WIDTH / 8));  // 字节地址// 模拟读内存sc_uint<ENTRY_WIDTH> entry = memory[entry_addr];if ((entry & 1) == 0) {  // Present=0is_fault = true;break;}if (level == 1) {  // 叶级result_pa = (entry & ~((1ULL<<12)-1)) + (vaddr & ((1ULL<<12)-1));break;}current = (entry & ~((1ULL<<12)-1));  // 下一基址shift -= LEVEL_BITS;}}done.write(true);fault.write(is_fault);pa.write(result_pa);} else {done.write(false);}}}// 方法: 初始化模拟内存 (测试用)void init_memory(sc_uint<ADDR_WIDTH> addr, sc_uint<ENTRY_WIDTH> value) {memory[addr] = value;}
};

SystemC模型解释

输入/输出：start触发走查，输出done/fault/pa。
过程：SC_THREAD在clk pos边沿运行，循环计算索引、模拟读entry、检查Present、更新基址。支持可变levels（调整shift和循环）。
内存模拟：用array；实际testbench中，可通过init_memory设置页表示例。
使用：作为参考，与Verilog RTL比较输出，确保一致性。

完整IOMMU Verilog模块

这是一个扩展的Verilog IOMMU模块，包括：

配置寄存器（levels, root_base）。
简单TLB（4-entry associative cache）。
页表走查器（从前述扩展，支持2-5级）。
Fault处理和done信号。

module iommu #(parameter ADDR_WIDTH = 48,      // VA/PA宽度parameter LEVEL_BITS = 9,       // 每级索引位parameter ENTRY_WIDTH = 64,     // entry大小parameter MAX_LEVELS = 5,       // 支持最大级别parameter TLB_SIZE = 4          // TLB entries (简单全相联)
) (input clk,input reset_n,// 配置接口 (e.g., from CPU/hypervisor)input config_valid,                             // 配置有效input [$clog2(MAX_LEVELS)-1:0] config_levels,   // 级别 (0=2, ..., 3=5)input [ADDR_WIDTH-1:0] config_root_base,        // 根表基址// 翻译请求接口input translate_req,                    // 请求翻译

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http://www.lryc.cn/news/623163.html