Smmu硬件寄存器—V2

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SMMU地址空间

SMMU_BASE需要对齐到（PAGESIZE * NUMPAGE * 2）。

//上下两部分大小相等，都等于页大小*页数 SMMU_GLOBAL_SIZE = SMMU_CB_SIZE = (NUMPAGE × PAGESIZE) //SMMU_TOP计算 SMMU_TOP = SMMU_BASE + SMMU_GLOBAL_SIZE + SMMU_CB_SIZE − 1 //Global区Top计算 SMMU_GLOBAL_TOP = SMMU_BASE + SMMU_GLOBAL_SIZE − 1 //CB区Base基址计算 SMMU_CB_BASE = SMMU_BASE + SMMU_GLOBAL_SIZE. //第n个CB基址计算，意味着一个CB占一页 SMMU_CBn_BASE = SMMU_CB_BASE + (n × PAGESIZE)

 

The global address space

其中大多数地址空间安全和非安全模式都可访问，部分只能安全模式访问。

全局地址空间布局：

SMMU_GR0_BASE = SMMU_BASE + (0 × PAGESIZE) SMMU_GR1_BASE = SMMU_BASE + (1 × PAGESIZE) SMMU_GID_BASE = SMMU_BASE + (2 × PAGESIZE) SMMU_PM_BASE = SMMU_BASE + (3 × PAGESIZE) SMMU_SSD_BASE = SMMU_BASE + (4 × PAGESIZE)

 

The translation context bank address space

 

CB	OFFSET	SIZE
CB0	SMMU_CB_BASE + (0×PAGESIZE)	PAGESIZE
CB1	SMMU_CB_BASE + (1×PAGESIZE)	PAGESIZE
CB2	SMMU_CB_BASE + (2×PAGESIZE)	PAGESIZE
……	……	……
CBn	SMMU_CB_BASE + (n×PAGESIZE)	PAGESIZE

 

部分CB只供stage2使用，部分CB既可以供stage1也可以供stage2，还有部分是供secure模式下的stage1用。而只供stage2使用的CB位于从索引0开始的SMMU_IDR1.NUMS2CB个，其余的CB往后排。

 

全局地址空间0

 

SMMU_IDR0

 

SES, bit[31]	Security 和Non-Security支持情况 0：不支持；1：支持
S1TS, bit[30]	Stage 1 Translation Support 0：不支持；1：支持
S2TS, bit[29]	Stage 2 Translation Support 0：不支持；1：支持
NTS, bit[28]	Stage 1 followed by stage 2 translation支持情况 0：不支持；1：支持
SMS, bit[27]	Stream Match支持情况 0：支持Stream indexing；1：支持Stream Match
ATOSNS, bit[26]	地址翻译操作的支持情况（前提：S1TS=1） 0：支持；1：不支持
PTFS, bits[25:24]	AArch32翻译的支持情况
NUMIRPT[7:0], bits[23:16]	上下文故障中断数（v1用）
EXSMRGS, bit[15]	Extended Stream Matching extension支持情况
CTTW, bit[14]	一致性翻译表支持情况 0：不支持；1：支持
BTM, bit[13]	TLB广播支持 0：不支持；1：支持
NUMSIDB[3:0], bits[12:9]	StreamID编码的bit位数（0~15）
EXIDS, bit[8]	扩展的StreamID支持 0：不支持扩展；1：支持，并且最大bit数增加到16
NUMSMRG[7:0], bits[7:0]	Stream Mapping Register Groups数量（0~128）

 

 

SMMU_IDR1

PAGESIZE, bit[31]	SMMU页大小，0：4KB;1：64KB
NUMPAGENDXB, bits[30:28]	页索引数，指示全局地址空间占据的页数NUMPAGE=2^(NUMPAGENDXB+1)
Bits[27:26]	Reserved
HAFDBS, bits[25:24]	硬件Access Flag和Dirty Bit管理的支持，同stage 1 SMMU_CBn_TCR2.{HA, HD} and stage 2 SMMU_CBn_TCR.{HA, HD} bits。 00：不支持硬件更新Access Flag和Dirty Bit 01：支持更新Access Flag，不支持更新Dirty Bit 10：Reserved 11：支持更新Access Flag和Dirty Bit
NUMS2CB[7:0], bits[23:16]	只支持stage 2翻译格式 的Context Banks数，取值范围0~128。需要被SMMU_IDR0.S2TS使能。
SMCD, bit[15]	Stream Match Conflict Detection。 0：不检测所有的Stream match conflicts 1：检测所有的Stream match conflicts
Bit[14]	Reserved
SSDTP, bits[13:12]	SSD Table属性 00：SSD地址空间是UNK/WI 01：填充SSD地址空间，并支持NUMSSDNDXB标记的SSD_Index size 10：Reserved 11：扩展的SSD地址空间，并支持16bit的SSD_Index
NUMSSDNDXB[3:0], bits[11:8]	指示SSD表的索引数
NUMCB, bits[7:0]	Context Banks数，范围0~128，包含只支持stage 2格式的CB个数。如果系统支持stage 1，则stage1格式的CB数=SMMU_IDR1.NUMCB–SMMU_IDR1.NUMS2CB

其中，SSD是Security State Determination的缩写。

 

 

SMMU_IDR2

Bit[31]	Reserved
DIPANS, bit[30]	数据和指令的“Privileged Access Never”支持 0：不支持；1：支持
COMPINDEXS. bit[29]	StreamID Compressed Indexing支持情况 0：不支持；1：支持
HADS, bit[28]	Hierarchical Attribute Disable支持情况 0：不支持；1：支持
E2HS, bit[27]	E2H context (E2HC)支持情况。EL2 Host.  1)Enables a configuration where a Host Operating System is running in EL2,  2)the Host  Operating System's applications are running in EL0. 0：不支持；1：支持
EXNUMSMRG, bits[26:16]
VMID16S, bit[15]	16-bit VMID支持情况 0：只支持8-bit；1：支持16-bit
PTFSv8_64kB, bit[14]	64KB粒度翻译支持情况 0：不支持；1：支持
PTFSv8_16kB, bit[13]	16KB粒度翻译支持情况 0：不支持；1：支持
PTFSv8_4kB, bit[12]	4KB粒度翻译支持情况 0：不支持；1：支持
UBS, bits[11:8]	Upstream Bus Size 0b0000  32-bit upstream bus size. 0b0001  36-bit upstream bus size. 0b0010  40-bit upstream bus size. 0b0011  42-bit upstream bus size. 0b0100  44-bit upstream bus size. 0b0101  49-bit upstream bus size. 0b1111  64-bit upstream bus size.
OAS, bits[7:4]	Output Address Size，指示PA的最大bit数 0b0000  32-bit. 0b0001  36-bit. 0b0010  40-bit. 0b0011  42-bit. 0b0100  44-bit. 0b0101  48-bit.
IAS, bits[3:0]	IPA  Address Size，指示IPA的最大bit数 0b0000  32-bit. 0b0001  36-bit. 0b0010  40-bit. 0b0011  42-bit. 0b0100  44-bit. 0b0101  48-bit.

 

SMMU_IDR0-7描述了SMMU提供的系统能力信息，其中SMMU_IDR3~7略。

 

SMMU对address的处理顺序：

1. 对于透传过来的翻译，如果地址操作了SMMU_IDR2.OAS设置的bit位，会被截断。然后，传递给translation context bank单元
2. 对于符号扩展的，如用64bit或49bit的“UBS”，其中48位为地址，1位为符号位。需要进行处理。
3. 输入输出地址size检测判断。

 

Stream mapping

如何通过streamID找到对应的CB。这里有两种模式：

Stream matching：

利用StreamID在 Stream Match registers（SMMU_SMRn）中查找，如果找到唯一的匹配（假设是SMMU_SMRx），则对应的 Stream-to-Context register（SMMU_S2CRx）中保存的CB就是要找的CB。

Stream indexing：

如果Stream indexing被使用，则StreamID直接指示SMMU_S2CRn的索引。比如，StreamID=m，则对应的CB保存在SMMU_S2CRm中。

以上两种模式的选择在SMMU_IDR0.SMS比特位。

还有一个Compressed StreamID indexing，暂时不讨论。

 

SMMU_SMRn

streamID匹配寄存器。

EXMASK, bits[31:16]	屏蔽无关位 如果EXMASK[i]==1，则EXID[i]被忽略；相反，EXMASK[i]==0，则EXID[i]有效，用于匹配
EXID, bits[15:0]	用于匹配的streamID

 

 

SMMU_S2CRn

Stream-to-Context Register。

当使用Translation context即type=00时寄存器定义如下：

TRANSIENTCFG, bits[29:28]	Transient Allocate Configuration，瞬时分配配置 0b00  Use the default transient allocation attributes. 0b01  Reserved. 0b10  Non-transient. 0b11  Transient
INSTCFG, bits[27:26]	取指令属性配置 0b00  Default instruction fetch attribute. 0b01  Reserved. 0b10  Data. 0b11  Instruction.
PRIVCFG, bits[25:24]	特权属性配置 0b00  Default privilege attributes. 0b01  Meaning depends on the value of SMMU_IDR2.DIPANS: 0  Reserved. . 1  Data and Instruction Privileged Access Never. 0b10  Unprivileged. 0b11  Privileged
WACFG, bits[23:22]	写分配配置 0b00  Default allocation attributes. 0b01  Reserved. 0b10  Write-Allocate. 0b11  No Write-Allocate
RACFG, bits[21:20]	读分配配置 0b00  Default allocation attributes. 0b01  Reserved. 0b10  Read-Allocate. 0b11  No Read-Allocate
NSCFG, bits[19:18]	0b00  Default security attribute. 0b01  Reserved. 0b10  Secure configuration that only affects Secure SMMU_S2CRn entry. 0b11  Non-secure
TYPE, bits[17:16]	Context type 0b00  Translation context bank index. 0b01  Bypass.mode 0b10  Fault, no index. 0b11  Reserved. Treated as a fault context
MemAttr, bits[15:12]
MTCFG, bit[11]	Memory Type Configuration 0  Default memory attributes. 1  MemAttr field attributes
EXIDVALID, bit[10]	Extended ID Valid。如果 SMMU_sCR0.EXIDENABLE==0，此bit无效 0  The Stream Match Register group is invalid. 1  The Stream Match Register group is valid and SMMU_SMRn follows the Extended ID format。
SHCFG, bits[9:8]	共享配置 0b00  Default Shareable attribute. 0b01  Outer Shareable. 0b10  Inner Shareable. 0b11  Non-shareable
CBNDX bits[7:0]	Context Bank Index

当使用Bypass mode即type 0b01,

其中bit[0~7]表示VMID，其余位定义参考手册。

 

SMMU_sCR0

全局配置寄存器。在支持2个Security状态的情况下，这个寄存器包含Non-secure的transactions和一些 Secure state控制下的Non-secure的transactions。2个Security状态的情况下，还有一个备份寄存器SMMU_CR0，提供Non-secure的transactions。

具体每一位的解释，详见手册。

SMMU_sGFSR

全局错误状态寄存器。

 

MULTI, bit[31]	相同错误类型多次发生状态 0：没有；1：有
Bits[30:9]	Reserved
UUT, bit 8	不支持的Upstream Transaction 0：没有；1：有不支持的client transaction
PF, bit[7]	Permission fault 0：没有；1：有
EF, bit[6]	External fault 0：没有；1：有
CAF, bit[5]	Configuration access fault 0：没有；1：有
UCIF, bit[4]	未实现的context interrupt fault 0：没有；1：有
UCBF, bit[3]	未实现的context bank fault 0：没有；1：有
SMCF, bit[2]	Stream match conflict fault 0：没有；1：有
USF, bit[1]	Unidentified stream fault 0：没有；1：有
ICF, bit[0]	Invalid context fault 0：有；1：没有

使用方法：对应bit写1，进行清除；写0，保持原状。

SMMU_sGFAR

Global Fault Address Register。保存 SMMU_sGFSR中报告的错误发生的地址。

Bits[63:N]	Reserved
FADDR, bits[N-1:0]	Fault address 针对“ configuration access fault”表示基于SMMU_BASE的offset；其他错误类型，则表示错误发生的输入地址。

其中位数N取决于SMMU_IDR2.UBS。

 

SMMU_TLBIALLH

TLB Invalidate All Hyp，让TLB中标记为Hyp的项失效。32-bit WO register。

 

SMMU_TLBIALLNSNH

TLB Invalidate All Non-secure Non-Hyp，让TLB中标记为Non-secure Non-Hyp的项失效。32-bit WO register。

 

全局地址空间1

SMMU_CBARn

Context Bank Attribute Registers。其SMMU_CBARn.TYPE域指示对应cb的translation context。这个域的值会影响剩余位的定义：

0b00：Stage 2 context；此CB只提供stage2的翻译 0b01：Stage 1 context with stage 2 bypass 0b10：Stage 1 context with stage 2 fault 0b11：Stage 1 followed by stage 2 translation context

 

Stage 2 context, TYPE==0b00

Stage 1 context with stage 2 bypass, TYPE==0b01

Stage 1 context with stage 2 fault, TYPE==0b10

Stage 1 followed by stage 2 translation context, TYPE==0b11

 

SMMU_CBA2Rn

Context Bank Attribute Registers。作为SMMU_CBARn寄存器的扩展。

VMID16, bits[31:16]	16-bit VMID
Bits[15:2]	Reserved.
MONC, bit[1]	Monitor context bank 0  Non-monitor context. Use VMID or ASID for TLB tagging 1  Monitor context. Do not use VMID or ASID for TLB tagging
VA64, bit[0]	Virtual address width 0：32bit；1:64bit

 

 

Stage1相关CB寄存器

SMMU_CBn_SCTLR

系统控制寄存器，提供关联CB的top-level控制。

Bits [31]	Reserved.
UCI, bit[30]	用户态缓存维护使能（EL0） 0：不使能；1：使能
NSCFG, bits[29:28]	Non-Secure配置 0b00  Default Non-secure attribute. 0b01  Reserved. 0b10  Secure. 0b11  Non-secure.
WACFG, bits[27:26]	Write-Allocate配置 0b00  Default allocation attributes. 0b01  Reserved. 0b10  Write-Allocate. 0b11  No Write-Allocate.
RACFG, bits[25:24]	Read-Allocate配置 0b00  Default allocation attributes. 0b01  Reserved. 0b10  Read-Allocate. 0b11  No Read-Allocate.
SHCFG, bits[23:22]	共享配置 0b00  Default shareable attribute. 0b01  Outer Shareable. 0b10  Inner Shareable. 0b11  Non-shareable
Bit[21]	Reserved.
MTCFG, bit[20]	内存类型配置 0  Default memory attributes. 1  Use the MemAttr field for memory attributes.
MemAttr, bits[19:16]
TRANSIENTCFG, bits[15:14]	Transient Allocate配置 0x00  Default transient allocation attributes. 0x01  Reserved. 0x10  Non-transient. 0x11  Transient
Bit[13]	Reserved
ASIDPNE, bit[12]	ASID私有名字空间使能 0：全局；1：私有
Bit[11]	Reserved.
UWXN, bit[10]	Unprivileged Writable Execute Never 0：不使能；1：
WXN, bit[9]	Writable Execute Never.
HUPCF, bit[8]	上下文错误处理 0：stall或terminal；1：继续后续的翻译
CFCFG, bit[7]	上下文错误配置 0：Terminate；1：Stall
CFIE, bit[6]	上下文错误是否触发中断 0：否；1：是
CFRE, bit[5]	上下文错误是否触发abort 0：否；1：是
E, bit[4]	大小端 0：小端；1：大端
AFFD, bit[3]	0  Access flag faults are enabled. 1  Access flag faults are disabled.
AFE, bit[2]
TRE, bit[1]	TEX Remap Enable 0  TEX Remap is disabled. Bits TEX[2:0] are used with the C and B bits to describe the memory region attributes. 1  TEX Remap is enabled. Bits TEX[2:1] are reassigned for use as flags managed by the operating system. The TEX[0], C and B bits describe the memory region attributes, with the MMU remap registers
M, bit[0]	MMU Enable。关联CB的MMU使能。

 

SMMU_CBn_RESUME

Resumes or terminates the operation of a stalled transaction。收到stalled错误报告之后，正确的resume这次transaction的顺序是：

1. 软件根据fault（SMMU_CBn_FSR）的原因，进行相应处理
2. 写 SMMU_CBn_FSR寄存器，清相应bit位
3. 写SMMU_CBn_RESUME寄存器，清楚 SMMU_CBn_FSR.SS位。

Bits[31:1]	Reserved
TnR, bit[0]	Terminate not Retry 0：Retry the stalled transaction；1：Terminate the stalled transaction

 

SMMU_CBn_FSR

对应CB的Fault Status Register。

MULTI, bit[31]	相同错误类型多次发生状态 0：没有；1：有
SS, bit[30]	Stalled Status（只读，只能通过SMMU_CBn_RESUME寄存器清除） 0：没有stall；1：stalled
Bits[29:11]	Reserved
Format, bits[10:9]	Translation scheme。 00：AArch32 Short-descriptor （SMMU_CBA2Rn.VA64=0； SMMU_CBn_TCR.EAE=0） 01：AArch32 Long-descriptor （SMMU_CBA2Rn.VA64=0； SMMU_CBn_TCR.EAE=1） 10：AArch64 translation（SMMU_CBA2Rn.VA64=1） 11：Reserved（也被认为是AArch64）
UUT, bit 8	Unsupported Upstream Transaction。 0：没有；1：有
ASF, bit[7]	Address size fault 0：没有；1：有
TLBLKF, bit[6]	TLB lock fault 0：没有；1：有
TLBMCF, bit[5]	TLB match conflict fault 0：没有；1：有
EF, bit[4]	External fault 0：没有；1：有
PF, bit[3]	Permission fault 0：没有；1：有
AFF, bit[2]	Access flag fault 0：没有；1：有
TF, bit[1]	Translation fault 0：没有；1：有
Bit[0]	Reserved

 

SMMU_CBn_FAR

Fault Address Register。Holds the input address of the memory access that caused a synchronous abort exception。

Bits[63:N]	Reserved
FADDR, bits[N-1:0]	错误发生的输入地址

 

SMMU_CBn_TTBRm

页表基地址寄存器。m为0或者1，表示两个TTBR。

ASID[15:0], bits[63:48]	ASID号 SMMU_CBn_TCR.A1位决定是选SMMU_CBn_TTBR0.ASID 还是 SMMU_CBn_TTBR1.ASID
Base Address [47:x]	基地址，其中x由对应的T0SZ or T1SZ决定
Bits[x-1:0]	Reserved

 

 

SMMU_CBn_TCR

Translation Control Register。在smmu v1这个寄存器叫SMMU_CBn_TTBCR。决定了translation的属性，包括ttbr寄存器的选择等。SMMU_CBn_CBA2R.VA64 == 1情况下，

TG1, bits[31:30]	TTBR1, for non-HYPC, non-MONC stage 1 translations的页粒度 0b00  Reserved. 0b01  16KB granule size. 0b10  4KB granule size. 0b11  64KB granule size
SH1, bits [29:28]	共享属性
ORGN1, bits [27:26]	外部缓存属性
IRGN1, bits [25:24]	内部缓存属性
EPD1, bit[23]	TLB miss情况下Translation Walk动作 0：a translation table walk is performed 1：no translation table walk is performed and an L1 Section translation fault is returned
A1, bit[22]	ASID选择 0：从SMMU_CBn_TTBR0 ASID field选 1：从SMMU_CBn_TTBR1 ASID field选
T1SZ, bits[21:16]	表示SMMU_CBn_TTBR1地址空间的大小——2^（64–T1SZ）
TG0, bits[15:14]	TTBR0的页粒度 0b00  Reserved. 0b01  16KB granule size. 0b10  4KB granule size. 0b11  64KB granule size
SH0, bits[13:12]	共享属性
ORGN0, bits[11:10]	外部缓存属性
IRGN0, bits[9:8]	内部缓存属性
EPD0, bit[7]	TLB miss情况下Translation Walk动作 0：a translation table walk is performed 1：no translation table walk is performed and an L1 Section translation fault is returned
Bit[6]	Reserved.
T0SZ, bits[5:0]	表示SMMU_CBn_TTBR0地址空间的大小——2^（64–T0SZ）

 

SMMU_CBn_TCR2

Translation Control Register 2。 SMMU_CBn_TCR 寄存器的扩展，增加了translation粒度和IPA size的控制信息。

NSCFG1, bit[30]	Non-secure attribute with SMMU_CBn_TTBR1
SEP, bits[17:15]	Sign Extension Position 0b000  Bit[31] 0b001  Bit[35] 0b010  Bit[39] 0b011  Bit[41] 0b100  Bit[43] 0b101  Bit[47] 0b110  Reserved. This bit must be treated as 0b111. 0b111  The meaning of this bit depends on the upstream address bus size indicated by SMMU_IDR2.UBS, as follows: UBS==0b1111, 64-bit bus No sign extension is performed. UBS==0b0101, 49 bit bus Bit[48] is used as the sign bit, and is replicated to bits[63:49]. Other valid encodings of UBS The input address is zero-extended
NSCFG0, bit[14]	Non-secure attribute with SMMU_CBn_TTBR0
HD, bit[11]	Hardware management of Dirty bit 0  Stage 1 Dirty bit update disabled. 1  Stage 1 Dirty bit update enabled
HA, bit[10]	Hardware management of Access flag 0：disable；1：enable
HAD1, bit[9]	Hierarchical Attribute Disable for the TTBR1 region 0：enble；1：disable
HAD0, bit[8]	Hierarchical Attribute Disable for the TTBR0 region 0：enble；1：disable
TBI1, bit[6]	Top Byte Ignored TTBR1 region 0：in use；1：ignore
TBI0, bit[5]	Top Byte Ignored TTBR0 region 0：in use；1：ignore
AS, bit[4]	ASID Size 0：8-bit；1：16-bit.
PASize, bits[2:0]	Physical Address Size  //IPA? 0b000  32-bits, 4GB 0b001  36-bits, 64GB 0b010  40-bits, 1TB 0b011  42-bits, 4TB 0b100  44-bits, 16TB 0b101  48-bits, 256TB All other values are reserved, and treated as 48-bits.

 

SMMU_CBn_MAIRm

其中m=0或1。为mmu的TEX remap功能用的。就是将memory region attributes用TEX[2:0], C, and B bits进行编码，然后保存在页表中，

更多关于内存属性的信息，请参考手册。

Stage2相关CB寄存器

SMMU_CBn_SCTLR

System Control Register。

WACFG, bits[27:26]	同stage1
RACFG, bits[25:24]	同stage1
SHCFG, bits[23:22]	同stage1
FB, bit[21]	Force Broadcast, forces the Broadcast of TLB maintenance, BPIALL, and ICIALLU operations
MemAttr, bits[19:16]	同stage1
BSU, bits[15:14]	Barrier Shareability Upgrade 0b00  No effect. 0b01  Inner Shareable. 0b10  Outer Shareable. 0b11  Full system.
PTW, bit[13]	Protected Translation Walk 0  This behavior is not enabled. 1  Raise a stage 2 permission fault
HUPCF, bit[8]	同stage1
CFCFG, bit[7]	同stage1
CFIE, bit[6]	同stage1
CFRE, bit[5]	同stage1
E, bit[4]	同stage1
AFFD, bit[3]	同stage1
AFE, bit[2]	同stage1
TRE, bit[1]	同stage1
M, bit[0]	同stage1

 

SMMU_CBn_IPAFAR

IPA Fault Address Register。记录同时存在stage1和stage2状态，且发生在stage2的错误的 IPA。错误类型包括：

•Translation faults.

•Access faults.

•External faults.

•Address size faults.

FADDR, bits[M-1:N]

Fault address, the IPA of the faulting access.

 

SMMU_CBn_TCR

为stage2 Translation提供额外的配置。SMMU_CBA2Rn.VA64==1情况下，寄存器布局

HD, bit[22]	Hardware management of Dirty bit 0  Stage 2 Dirty bit update disabled. 1  Stage 2 Dirty bit update enabled
HA, bit[21]	同stage1
PASize, bits[18:16]	Physical address size。 0b000  32-bits, 4GB 0b001  36-bits, 64GB 0b010  40-bits, 1TB 0b011  42-bits, 4TB 0b100  44-bits, 16TB 0b101  48-bits, 256TB All other values are reserved, and treated as 48-bits
TG0, Bits[15:14]	同stage1
SH0, bits[13:12]	同stage1
ORGN0, bits[11:10]	同stage1
IRGN0, bits[9:8]	同stage1
SL0, bits[7:6]	其实查找level，依赖于TG0 field。 4KB translation granule 0b00  Level 2. 0b01  Level 1. 0b10  Level 0. 16KB or 64KB translation granule 0b00  Level 3. 0b01  Level 2. 0b10  Level 1.
T0SZ, bits[5:0]	同stage1

 

SMMU_CBn_TTBR0

同stage1