看一下ARM的IP：SMMUU

前言

最近看到了一个SMMU，以前只知道MMU，于是就找了几篇前辈的帖子来学习一下。感谢前辈的优秀文章，原文链接放在下面：

https://blog.csdn.net/21cnbao/article/details/105424524

https://blog.csdn.net/flyingnosky/article/details/119390849

https://blog.csdn.net/FinicsWang/article/details/96107339

https://zhuanlan.zhihu.com/p/27026590

ARM® System Memory Management Unit Architecture Specification, SMMU architecture version 3.0 and version 3.1

1. 什么是SMMU？

SMMU（system mmu),是I/O device与总线之间的地址转换桥。

这里就可以很明显的看出这个MMU和SMMU的差别与相似。

2. 为什么需要SMMU？

了解SMMU出现的背景，需要知道系统中的两个概念：DMA和虚拟化。

1-DMA

DMA：（(Direct Memory Access），直接内存存取, 是一种外部设备不通过CPU而直接与系统内存交换数据的接口技术 。外设可以通过DMA，将数据批量传输到内存，然后再发送一个中断通知CPU取，其传输过程并不经过CPU， 减轻了CPU的负担。但由于DMA不能像CPU一样通过MMU操作虚拟地址，所以DMA需要连续的物理地址。

2-虚拟化

虚拟化：在虚拟化场景， 所有的VM都运行在中间层hypervisor上，每一个VM独立运行自己的OS（guest OS）,Hypervisor完成硬件资源的共享, 隔离和切换。

但对于Hypervisor + GuestOS的虚拟化系统来说, guest VM使用的物理地址是GPA, 看到的内存并非实际的物理地址(也就是HPA)，因此Guest OS无法正常的将连续的物理地址分给硬件。（分给外设）

因此，为了支持I/O透传机制中的DMA设备传输**，而引入了IOMMU技术（ARM称作SMMU）。**

总而言之，SMMU可以为ARM架构下实现虚拟化扩展提供支持。它可以和MMU一样，提供

• stage1转换（VA->PA）, 或者
• stage2转换（IPA->PA）,或者
• stage1 + stage2转换（VA->IPA->PA）的灵活配置。

[VA：虚拟地址；IPA: 中间物理地址；PA：物理地址]

3. 作用？

1-SMMU在系统中位置和作用

SMMU功能与MMU功能类似，将IO设备的DMA地址请求(IOVA)转化为系统总线地址(PA)，实现地址映射、属性转换、权限检查等功能，实现不同设备的DMA地址空间隔离。

2-SMMU软硬件交互过程

• SMMU处于IO设备和总线之间，负责将设备的输入IOVA转化为系统总线的物理地址PA;

• SMMU硬件包含configuration lookup/TLB/Page Table Walk以及cmdq/eventq等部分，其中configuration lookup部分查找stream id所对应的配置（ste/cd）, 最终指向page table基地址等；

• SMMU通过configuration lookup找到设备的配置及页表基地址等，然后查询TLB中是否存在输入地址input的映射，如果TLB命中，直接返回输出PA；若TLB没有命中，PTW模块逐级查询页表，找到页表中的映射，输出PA；

• 软件/SMMU驱动通过CMDQ/EVENTQ进行交互，驱动通过CMDQ发送命令给SMMU硬件（如TLBI/SYNC等）；SMMU硬件通过EVENTQ通知驱动有事件需要处理（如设备缺页等） 软件/驱动建立和维护内存中的配置和页表；

4. SMMU常用概念

• StreamID
  一个平台上可以有多个SMMU设备，每个SMMU设备下面可能连接着多个Endpoint， 多个设备互相之间可能不会复用同一个页表，需要加以区分，SMMU用StreamID来做这个区分( SubstreamID的概念和PCIe PASID是等效的)

• STE Stream Table Entry
  STE里面包含一个指向stage2地址翻译表的指针，并且同时还包含一个指向CD（Context Descriptor）的指针.

• CD Context Descriptor
  是一个特定格式的数据结构，包含了指向stage1地址翻译表的基地址指针

关键点：

StreamID: device 通过物理线连接到SMMU ,这个StreamID就是用来标识SMMU上连接的设备。想象一个8 ports hub上连接了8个物理设备，这8个设备就可以通过portID来标识，比如port 0代表第一个设备，同理steamID

STE: stream Table Entry，可以理解为SMMU页表转换的第一级索引，每一个streamID代表着一个STE，通过这个STE指向的连接可以找到真正的虚地址==》物理地址转换的页表。假设SMMU上连接着8个具体设备，每个设备都有自己的StreamID，那就有至少8个STE表项。

CD: Context Descriptor, stage 1的页表配置项，它其中的TTB0指向了真正的页表信息，比如PGD, PMD, PTE等，完全和MMU的页表转换原理一样

查找过程：

假设stream ID为16的设备发起了DMA操作（如下动作完全自动完成，前提是之前配置好了SMMU中所有的表项）：

• StreamID=16, 所以从寄存器strtab_base指向的地址中找到偏移为16的STE表项
• 该表项中的s1ContexPtr指向了下一级的stage 1转换地址CD(Context Descriptor)
• CD中的TTB0指向了一个页表转换的基地址PGD
• PGD-àPMD-àPTE 完成了虚拟地址到物理地址的转换（和MMU工作原理一样）

注：

• 其中引入的VMID, ASID的原因和MMU一样，都是为了在TLB中加于区别，防止cache bouncing
• Stage2 的转换原理基本和Stage 1一致，不过没有额外的CD
• 由于懒，文中有些图从网上直接扣的，抱歉。如有侵权，请告知