介紹SMMU的相關(guān)知識(shí)

為了適應(yīng)大規(guī)模的SoC設(shè)計(jì)，GIC-600被設(shè)計(jì)成分布式IP。所謂分布式，GIC-600由幾種組件構(gòu)成，每個(gè)組件可以跟其它相關(guān)模塊在物理設(shè)計(jì)上擺放在一起，并與其擁有共同的電源域；組件之間通過(guò)片上網(wǎng)絡(luò)（network on chip，簡(jiǎn)稱(chēng)NoC）通信，從而達(dá)到更好的時(shí)序。

SMMU即system memory management unit，在其他體系結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)的是IOMMU。先上圖，此圖節(jié)選自SMMU spec文檔，從圖中可以直觀(guān)看到SMMU的基本功能，其被放置在device的DMA master的前端，device與其采用AXI相連，SMMU直接連接片上總線(xiàn)。

MMU與SMMU位置相似，只不過(guò)MMU后邊的master是CPU。SMMU在此主要作用是將device發(fā)起的DMA請(qǐng)求中的IOVA虛擬地址轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)物理地址進(jìn)行訪(fǎng)存。而MMU是將CPU看到的VA值轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)物理地址，IOVA的值與CPU看到的VA可以相同也可以不同，如果說(shuō)IOVA值的類(lèi)型有一萬(wàn)種選擇，那么使用SMMU的方法就有一萬(wàn)種。

在ARM體系結(jié)構(gòu)中，SMMU可以承載很多東西，包括：安全，虛擬化，pcie相關(guān)功能，SVA等等。

現(xiàn)在捋一下SMMU的基本使用場(chǎng)景：

1）擴(kuò)大設(shè)備DMA尋址范圍，一些legacy設(shè)備DMA尋址是32bit，無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)高32bit地址，通過(guò)SMMU的轉(zhuǎn)換可以解決這個(gè)問(wèn)題。同樣的，當(dāng)系統(tǒng)無(wú)法提供大塊連續(xù)物理內(nèi)存時(shí)，也可以通過(guò)SMMU轉(zhuǎn)換讓設(shè)備可以訪(fǎng)問(wèn)分散物理內(nèi)存

2）一個(gè)SMMU可以有多個(gè)master設(shè)備，每個(gè)設(shè)備所看到的物理地址范圍可通過(guò)SMMU進(jìn)行隔離和劃定，硬件提供了這種應(yīng)用的靈活性，具體策略需要軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3）ARM體系結(jié)構(gòu)中的安全域分為secure和normal域，secure具有更高的權(quán)限，理論上normal域的設(shè)備DMA無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)劃分為secure的物理地址，但是這種訪(fǎng)問(wèn)控制機(jī)制是如何實(shí)現(xiàn)的呢？就是通過(guò)SMMU，它可以使設(shè)備DMA master發(fā)出的請(qǐng)求帶有secure域或Normal域的安全屬性。

SMMU之所以能完成上述功能，是因?yàn)槠鋬?nèi)部硬件結(jié)構(gòu)。

如上圖，SMMU大部分功能數(shù)據(jù)均存在于主存儲(chǔ)器中，在硬件上有基地址寄存器分別指向相應(yīng)的內(nèi)存區(qū)域，command queue提供了軟件配置SMMU的命令隊(duì)列，event queue用來(lái)存放SMMU工作產(chǎn)生的事件或錯(cuò)誤。STE基址寄存器指向了內(nèi)存中的一系列STE表，該表是用smmu設(shè)備master的streamid來(lái)索引的，位寬16位，steamid是deviceIP在設(shè)計(jì)時(shí)硬件設(shè)定好的，一個(gè)streamid唯一對(duì)應(yīng)一個(gè)STE表，理論上一個(gè)設(shè)備可以有多個(gè)streamid，因此一個(gè)設(shè)備可能有多個(gè)STE表，在不同的場(chǎng)景下，軟件可以靈活應(yīng)用，硬件提供了這種靈活性。

每個(gè)STE表存在一個(gè)指針指向CD表，CD表可以有多個(gè)，是通過(guò)substreamid來(lái)索引的，substreamid位寬20位。CD表中有指針直接指向了SMMU進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換用的頁(yè)表，這個(gè)頁(yè)表記錄了IOVA到PA的映射。CD表所指的頁(yè)表只提供了一級(jí)頁(yè)表轉(zhuǎn)換，STE表的其他域提供了二級(jí)頁(yè)表轉(zhuǎn)換，這個(gè)在后續(xù)章節(jié)遇到再詳細(xì)介紹。

以上是SMMU內(nèi)部結(jié)構(gòu)的靜態(tài)描述，那么它實(shí)際工作的過(guò)程是怎樣的？設(shè)備master發(fā)起一筆DMA請(qǐng)求，請(qǐng)求的總線(xiàn)信息中帶有streamid、subtreamid、iova等參數(shù)，smmu硬件收到該請(qǐng)求會(huì)自動(dòng)通過(guò)streamid檢索到STE表，再通過(guò)substreamid檢索到這個(gè)STE表指向的CD表，從CD表中找到頁(yè)表基地址，開(kāi)始頁(yè)表查找過(guò)程，找到IOVA對(duì)應(yīng)的物理地址，再對(duì)這個(gè)物理地址發(fā)起一次DMA請(qǐng)求。

從這個(gè)過(guò)程可以看出SMMU在做地址轉(zhuǎn)換時(shí)有一定的overhead，因此SMMU硬件也提供了bypass模式，可以不進(jìn)行任何地址轉(zhuǎn)換，事實(shí)上目前linux kernel在默認(rèn)情況下的SMMU就是采用這種工作模式的。STE和CD表以及SMMU硬件工作過(guò)程中涉及到的參數(shù)較多，這里不一一說(shuō)明，抓大放小，我們期望能夠以最簡(jiǎn)捷的方式理解SMMU的工作機(jī)理。

為了提高頁(yè)表查找效率，SMMU與MMU相同，在其內(nèi)部設(shè)計(jì)有TLB緩存，用于緩存頁(yè)表項(xiàng)，同時(shí)硬件提供了DVM 接口，接收從互聯(lián)總線(xiàn)上的TLBI廣播，當(dāng)CPU對(duì)頁(yè)表進(jìn)行更改后，同時(shí)需要清除MMU本地的相應(yīng)的頁(yè)表項(xiàng)緩存，該TLBI指令會(huì)通過(guò)DVM接口進(jìn)行廣播，ARM架構(gòu)要求SMMU接收到廣播的前置條件是MMU與SMMU同處于一個(gè)Inner shareable domain中，在接受到廣播后，SMMU硬件會(huì)自動(dòng)清除其內(nèi)部的TLB緩存對(duì)應(yīng)項(xiàng)，達(dá)到與MMU同步的作用。該機(jī)制是ARM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下SVA（shared virtual addressing）的基礎(chǔ)，即SMMU與MMU共享頁(yè)表，設(shè)備可以看到和CPU相同的VA，設(shè)備也就能“理解”各種進(jìn)程虛擬內(nèi)存的語(yǔ)義。

下面分享一個(gè)SMMU的實(shí)際使用場(chǎng)景的有趣例子。

上圖中engine是一個(gè)硬件運(yùn)算模塊，硬件設(shè)定其與SMMU之間的streamid有2個(gè)，一個(gè)是read steam,另一個(gè)是write stream，因此SMMU對(duì)應(yīng)的STE表就有2個(gè)，即DMA讀操作對(duì)應(yīng)一份頁(yè)表，該頁(yè)表與MMU對(duì)應(yīng)頁(yè)表相同，通過(guò)DVM接口進(jìn)行硬件同步，DMA寫(xiě)對(duì)應(yīng)另一份頁(yè)表，該頁(yè)表指向的物理地址為ARM的secure域內(nèi)存。Crypto engine通過(guò)對(duì)normal域的操作系統(tǒng)內(nèi)存數(shù)據(jù)進(jìn)行某種操作后輸出結(jié)果到secure域，這種機(jī)制既增強(qiáng)了安全性，又增加了系統(tǒng)的效率。步驟如下：

1）normal域軟件發(fā)起SMC指令傳遞虛擬內(nèi)存地址VA和頁(yè)表基地址等參數(shù)到secure域軟件

2）secure域軟件用上述參數(shù)配置engine硬件，啟動(dòng)DMA

3）DMA通過(guò)SMMU read stream抓取normal域地址VA內(nèi)存數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算

4）結(jié)果通過(guò)DMA write stream輸出到secure域內(nèi)存

5）Secure 域軟件返回此次操作狀態(tài)信息給normal域軟件

細(xì)心的讀者可能會(huì)發(fā)現(xiàn)上述過(guò)程存在一些問(wèn)題，比如該虛擬地址對(duì)應(yīng)頁(yè)面不在內(nèi)存中，被換出了，這時(shí)SMMU在查找相應(yīng)頁(yè)面時(shí)就無(wú)法進(jìn)行DMA操作，遇到這樣的頁(yè)表整個(gè)地址轉(zhuǎn)換過(guò)程會(huì)停下，相應(yīng)的錯(cuò)誤event會(huì)被SMMU硬件寫(xiě)到event queue中，此時(shí)需要secure域軟件處理該event，向normal域軟件請(qǐng)求處理，與處理Page fault過(guò)程類(lèi)似，完成后再重復(fù)上述步驟。

審核編輯：劉清