AMD rocr-libhsakmt分析系列3-1: Apertures

1. 概述

前文已经给出了aperture的定义。在 AMD GPU 的 HSA运行时中，Aperture（孔径）是一个核心概念，用于管理和组织不同类型的内存区域。libhsakmt 库通过精心设计的 aperture 机制，实现了 CPU 和 GPU 之间高效、灵活的内存管理。本文档详细阐述 libhsakmt 中 aperture 的类型、设计原理和使用场景。

2. Aperture 的核心概念

2.1 什么是 Aperture

Aperture 本质上是虚拟地址空间的一个连续区域，具有特定的起始地址和结束地址。每个 aperture 管理特定类型的内存，并提供该内存的分配、释放和映射功能。通过 aperture，系统可以将不同属性的内存隔离管理，确保内存访问的正确性和效率。

2.2 基本数据结构

aperture_t（简单 aperture）：

base：aperture 的起始地址
limit：aperture 的结束地址
只记录地址范围，不进行主动管理

manageable_aperture_t（可管理 aperture）：

继承 aperture_t 的 base 和 limit
align：内存对齐要求
guard_pages：保护页数量，用于检测越界访问
vm_ranges：空闲地址区域链表
tree 和 user_tree：红黑树，用于快速查找已分配的内存对象
fmm_mutex：线程同步互斥锁
is_cpu_accessible：标识 CPU 是否可直接访问
ops：操作函数指针，支持不同的内存管理策略

3. Aperture 类型详解

3.1 SVM Aperture（共享虚拟内存孔径）

SVM aperture 是最重要的内存区域，用于实现 CPU 和 GPU 之间的统一地址空间。

设计目标：

实现 CPU 和 GPU 共享同一虚拟地址，简化编程模型
支持细粒度和粗粒度两种内存一致性模型

具体实现：

双 aperture 设计
- SVM_DEFAULT：用于粗粒度（非一致性）内存，占据 SVM 空间的后 3/4
- SVM_COHERENT：用于细粒度（一致性）内存，占据 SVM 空间的前 1/4
地址空间分配策略
- 优先尝试使用未预留的虚拟地址空间（通过 mmap_aperture_ops）
- 如果失败，则预留固定的地址空间（通过 reserved_aperture_ops）
- 支持最大 47 位地址空间（128TB）
适用场景：
- dGPU（独立显卡）的主要内存管理区域
- 支持 HSA 统一内存模型的应用
- 需要 CPU-GPU 零拷贝数据共享的场景

3.2 GPUVM Aperture（GPU 虚拟内存孔径）

GPUVM aperture 用于 APU（集成显卡）环境，管理非规范地址空间的 GPU 内存。

设计特点：

仅在非规范地址模式下存在（地址 < 2^47）
每个 GPU 拥有独立的 GPUVM aperture
在初始化时预留一小部分空间，避免空指针问题

使用场景：

APU 系统的 GPU 显存管理
传统 GPU 内存分配（非 SVM 模式）
需要独立 GPU 地址空间的应用

3.3 Scratch Aperture（临时内存孔径）

Scratch aperture 是为 GPU 计算任务提供的临时工作空间。

功能特性：

每个 GPU 独立的 scratch 地址空间
用于存储 shader 程序的临时变量
按需分配，支持动态映射

物理实现：

scratch_aperture：虚拟地址范围
scratch_physical：对应的物理内存（从 dgpu_aperture 分配）

典型应用：

GPU kernel 执行时的栈空间
线程局部存储（Thread Local Storage）
寄存器溢出时的临时存储

3.4 LDS Aperture（本地数据共享孔径）

LDS（Local Data Share）aperture 管理 GPU 工作组内共享的高速内存。

核心特征：

只读的虚拟地址范围（由内核驱动管理）
工作组内的所有工作项可共享访问
访问速度远快于全局内存

使用限制：

大小固定且有限（通常 64KB 每个计算单元）
生命周期仅限于工作组执行期间
不能跨工作组访问

3.5 MMIO Aperture（内存映射 I/O 孔径）

MMIO aperture 提供对 GPU 寄存器和特殊硬件资源的访问。

设计要点：

映射 GPU 的硬件寄存器到 CPU 可访问的地址空间
通常只有一个页面大小（4KB）
需要支持 SVM 的 GPU 才会创建

应用场景：

Doorbell 寄存器访问（队列通知）
硬件计数器读取
调试和性能监控

3.6 CPUVM Aperture（CPU 虚拟内存孔径）

CPUVM aperture 用于追踪系统内存中不需要 GPU 驱动管理的部分。

特点：

管理 APU 上 GPU 不直接访问的系统内存
每个进程独立的追踪空间
使用 mmap 进行地址分配

使用情况：

用户态程序分配的普通内存
不需要 GPU 访问的缓冲区
CPU 专用的数据结构

3.7 Memory Handle Aperture（内存句柄孔径）

Memory handle aperture 为没有有效虚拟地址的内存分配提供句柄空间。

设计目的：

为纯 GPU 内存（无 CPU 映射）生成标识符
地址范围位于非规范地址空间（47 位以上）
47 位地址空间大小

典型应用：

仅 GPU 可访问的显存（mflags.ui32.NoAddress）
跨进程内存共享的句柄
内存导出和导入操作

4. Aperture 管理机制

4.1 双操作策略

libhsakmt 为 aperture 设计了两种内存管理策略，通过函数指针实现多态：

reserved_aperture_ops（预留式管理）：

预先通过 mmap 预留整块地址空间
使用链表管理空闲区域
分配时从空闲链表中查找合适的"洞"
适用于地址范围固定且可控的场景

这是老的实现，在新硬件上基本不用了。而是用下面的mmap_aperture_ops实现。

mmap_aperture_ops（按需映射）：

不预留地址空间，按需调用 mmap
依赖操作系统的地址分配
更灵活但可能碎片化
适用于 48 位地址空间的现代 GPU

4.2 内存对象追踪

每个分配的内存都关联一个 vm_object_t 结构：

start：内存起始地址
size：实际分配大小
handles：KFD 驱动句柄数组
mflags：内存属性标志
registered_device_id_array：注册的设备列表
mapped_device_id_array：已映射的设备列表

通过红黑树（rbtree）实现快速查找：

tree：按虚拟地址索引
user_tree：按用户指针索引（用于 userptr 注册）

4.3 内存对齐优化

libhsakmt 实现了智能的内存对齐策略：

基础对齐：至少满足 aperture 的 align 要求
大小自适应对齐：大缓冲区向上对齐到下一个 2 的幂次，最大到 GPU_HUGE_PAGE_SIZE
TLB 优化：通过对齐减少 TLB 缺失，提升访问性能
保护页：每个对象后添加 guard pages，检测越界访问

4.4 NUMA 感知

在系统内存分配时，libhsakmt 会：

识别 GPU 的 NUMA 节点
使用 mbind 将内存绑定到最近的 CPU 节点
减少跨 NUMA 访问延迟
支持 NoSubstitute 标志强制绑定

5. 初始化流程

5.1 整体初始化

hsakmt_fmm_init_process_apertures() 是 aperture 系统的入口：

解析环境变量
- HSA_DISABLE_CACHE：禁用 GPU 缓存
- HSA_USERPTR_FOR_PAGED_MEM：使用 userptr 管理分页内存
- HSA_SVM_GUARD_PAGES：设置保护页数量
创建 GPU 内存管理结构
- 为每个 GPU 节点分配 gpu_mem_t
- 打开 DRM render 设备文件
- 初始化 aperture 的互斥锁
从内核获取 aperture 信息
- 调用 AMDKFD_IOC_GET_PROCESS_APERTURES
- 获取每个 GPU 的 LDS、Scratch、GPUVM 地址范围
初始化 SVM aperture
- 计算所有 GPU 的公共地址空间
- 预留或映射 SVM 区域
- 设置内存策略（一致性/非一致性）
创建辅助 aperture
- CPUVM aperture：追踪系统内存
- Memory handle aperture：生成内存句柄

5.2 SVM Aperture 初始化策略

现代 GPU（GFXv9+）：

支持完整 47 位地址空间
优先使用 mmap_aperture（按需分配）
测试分配一页内存，成功则使用该策略

传统 GPU 或受限场景：

预留固定的地址空间（最大 40 位，1TB）
使用多轮尝试，每次减半尝试大小
最小保证 4GB 可用空间
创建两个 aperture：1/4 为 coherent，3/4 为 default

6. 典型使用场景

6.1 分配设备内存

当应用请求分配 GPU 内存时：

根据 GPU ID 选择对应的 aperture（SVM 或 GPUVM）
从 aperture 中分配虚拟地址
调用 AMDKFD_IOC_ALLOC_MEMORY_OF_GPU 分配物理内存
创建 vm_object 追踪该内存
如需 CPU 访问，建立 mmap 映射

6.2 注册用户内存（Userptr）

用户可以将自己分配的内存注册到 GPU：

验证地址范围的有效性
在 SVM aperture 中创建 vm_object（使用 userptr 字段）
调用 KFD 驱动的 SVM API 或传统 userptr 注册
插入到 user_tree 中以便查找

6.3 内存映射到 GPU

内存分配后需要映射到特定 GPU：

查找内存对应的 vm_object
确定要映射的 GPU 列表（默认全部或指定部分）
调用 AMDKFD_IOC_MAP_MEMORY_TO_GPU
更新 mapped_device_id_array
增加映射计数器

7. 设计亮点

7.1 统一的内存模型

通过 SVM aperture，实现 CPU 和 GPU 使用相同的虚拟地址，消除了地址转换的复杂性。应用程序可以在 CPU 上分配内存，直接传递指针给 GPU 使用，无需额外的拷贝或映射操作。

7.2 灵活的策略切换

通过操作函数指针（ops），同一套代码可以支持预留式和按需式两种内存管理策略。系统根据 GPU 能力和运行环境自动选择最优策略，无需应用层感知。

7.3 细粒度的内存属性

每个 aperture 可以配置不同的属性：

内存一致性（CoarseGrain vs FineGrain）
CPU 可访问性
对齐要求
保护页配置

7.4 高效的内存查找

使用红黑树实现 O(log n) 的内存对象查找，支持大规模内存分配场景。同时维护两棵树（按地址和按 userptr），满足不同的查询需求。

7.5 NUMA 优化

自动识别 GPU 的 NUMA 拓扑，将内存绑定到最近的 CPU 节点，最小化跨节点访问延迟，提升整体系统性能。

8. 与 HSA 标准的对应

libhsakmt 的 aperture 设计完整实现了 HSA 规范的内存模型：

Global Memory：通过 SVM aperture 和 GPUVM aperture 实现
Group Memory (LDS)：通过 LDS aperture 暴露
Flat Address Space：SVM aperture 提供统一的平坦地址空间
Memory Regions：不同 aperture 对应不同的内存区域属性

9. 总结

9.1 Aperture 类型对比

下表总结了七种 aperture 的核心特征和差异：

Aperture 类型	主要用途	地址空间范围	管理策略	CPU 可访问	GPU 可访问	适用场景
SVM Aperture	CPU-GPU 统一地址空间	最大 47 位 (128TB)	reserved/mmap 自适应	✓	✓	dGPU 主内存区域，零拷贝共享
GPUVM Aperture	GPU 专用虚拟内存	非规范地址 (< 2^47)	reserved	×	✓	APU 显存，传统 GPU 内存
Scratch Aperture	GPU 临时工作空间	每 GPU 独立范围	reserved	部分（调试）	✓	Kernel 栈，寄存器溢出
LDS Aperture	工作组共享内存	固定小范围	只读（内核管理）	×	✓	工作组内高速共享
MMIO Aperture	硬件寄存器访问	单页 (4KB)	直接映射	✓	-	Doorbell，硬件计数器
CPUVM Aperture	系统内存追踪	47 位用户空间	mmap	✓	×	用户态普通内存
Memory Handle Aperture	内存句柄生成	非规范地址 (47 位)	reserved	×	×	纯 GPU 内存标识符

9.2 Aperture 特性对比

不同 aperture 的管理特性对比：

特性	SVM	GPUVM	Scratch	LDS	MMIO	CPUVM	Mem Handle
可分配内存	✓	✓	✓	×	✓	×	✓
支持 mmap	✓	×	✓	×	✓	✓	×
红黑树追踪	✓	✓	✓	×	×	✓	✓
NUMA 绑定	✓	×	✓	×	×	✓	×
保护页机制	✓	✓	✓	×	×	✓	✓
动态映射	✓	✓	✓	×	×	×	×
跨进程共享	✓	✓	×	×	×	×	✓

9.3 使用场景决策树

选择合适的 aperture 类型：

复制代码

分配内存需求
├─ 需要 CPU-GPU 零拷贝共享？
│  └─ 是 → SVM Aperture (dGPU) 或 GPUVM Aperture (APU)
│
├─ 仅供 GPU kernel 临时使用？
│  └─ 是 → Scratch Aperture
│
├─ 工作组内共享？
│  └─ 是 → LDS Aperture
│
├─ 访问 GPU 硬件寄存器？
│  └─ 是 → MMIO Aperture
│
├─ 追踪用户态系统内存？
│  └─ 是 → CPUVM Aperture
│
└─ 纯 GPU 内存无 CPU 映射？
   └─ 是 → Memory Handle Aperture

理解libhsakmt中设计的各种aperture是理解后续memory相关实现的前提，因为memory的alloc/free、map/unmap、register/deregister、share/unshare的都涉及到选择合适的aperture来操作。