ARM SMMUv3简介（一）

1.概述

SMMU（System Memory Management Unit，系统内存管理单元）是ARM架构中用于管理设备访问系统内存的硬件模块。SMMU和MMU的功能类似，都是将虚拟地址转换成物理地址，不同的是MMU转换的虚拟地址来自CPU，SMMU转换的虚拟地址来自Device（比如DMA、PCIe等）。SMMU有以下特点：

1. 起到地址隔离作用。DMA只能访问页表中的地址，非法地址将会被拦截。
2. 支持设备使用连续虚拟地址访问离散物理地址，消除了传统DMA直接访问物理内存要求地址连续的限制，以及32位DMA访问4GB地址空间的限制。
3. 支持设备共享CPU虚拟地址（IOVA=VA）空间。
4. 在虚拟化环境中，SMMU可以为虚拟机中的设备提供地址转换和隔离，确保虚拟机之间的内存安全。

如下所示，在支持虚拟化的环境中，SMMU支持2阶段地址转换，第一阶段把IOVA转换成IPA，第二阶段把IPA转换成PA，两阶段都可以设置成Bypass，即不做地址转换。若不支持虚拟化，则SMMU只做第一阶段地址转换，即把IOVA直接转换成PA。

2.内部结构

1. 两个SMMU的功能相互独立。下图中一个SMMU负责转换普通设备的DMA请求地址，另一个SMMU负责转换PCIe设备的DMA请求地址。
2. SMMU位于设备请求端和设备互联组件之间，多个SMMU通常都是并行放置，一个SMMU到内存的路径不经过另外一个SMMU。
3. 由于SMMU负责地址转换和权限检查等，因此设置SMMU的软件必须运行再特权级别下，如EL1、EL2。
4. SMMU与I/O设备缓存一致性：
   • SMMU与总线的接口支持I/O一致性协议（如ACE或CHI），确保设备访问内存时自动处理缓存一致性。
   • 设备发起的请求（如DMA写）不需要额外的一致性支持，SMMU会自动处理。
   • SMMU不转换系统到设备方向的请求地址，因此窥探流量不能从系统转发到SMMU后面的设备，因此不能将完全一致性设备缓存放置在SMMU后面（这类设备缓存必须直接连接一致性总线）。

3.布局形式

1. SMMU A嵌入到一个复杂设备中，属于设备的一部分，只为该设备提供地址转换和权限检查服务。通常情况下，这种SMMU的实现形式，有无竞争且专用的地址转换模块和TLB。
2. SMMU B是一个的完整的模块，其集成了地址转换、编程接口及页表遍历功能。两个客户端设备将SMMU B作为DMA访问系统的路径。
3. SMMU C 采用分布式设计，为多个不同的设备提供地址转换及访问权限检查等功能，从而实现更高带宽。其包括：
   1. 一个中央页表遍历器（ central translation table walker），该模块拥有独立的请求端接口，用于获取页表结构、配置结构及队列；同时配备完成端接口，用于接收编程访问。此单元可能包含一个macro-TLB及配置缓存。
   2. 远端TLB单元在发生miss时，会向中央页表遍历器发起转换请求，并将结果缓存于本地。图中所示的两个TLB单元，第一个通过一个端口支持一组（三个）设备；第二个连接PCIe Root Complex，同时还向RC提供了ATS（用于处理EP发起地址转换的请求）接口。
4. 智能设备中嵌入了一个TLB单元，但复用SMMU C的页表遍历器，这样可以减少设备的复杂度。

4.地址转换流程

设备发起一次DMA请求，会把StreamID、SubstreamID和VA信息输入到SMMU，SMMU利用这些信息将IOVA转换成PA。

1. 首先使用StreamID查找Stream Table，获取设备对应的Stream Table Entry (STE)，STE里面保存了设备页表的配置信息、VMID及下一级Context Descriptor (CD)的基地址。
2. 接着使用SubstreamID查找CD表。CD里面保存了SMMU页表的基地址、ASID等信息。
3. 若页表TLB命中，则直接使用缓存的页表转换地址，否则从内存中查找页表，并填充TLB。
4. 利用SMMU的页表，将IOVA转换成PA。
5. 若是虚拟化环境，此时转换后的地址是IPA，需要利用StreamID进行第二级地址转换，最终得到PA。

参考资料

1. Arm ® System Memory Management Unit Architecture Specification version 3.