本篇参考 arm 官网公开材料和小崔的linux 专栏 https://zhuanlan.zhihu.com/p/105005488

宋宝华老师MMU介绍
armv8-armv9 MMU深度学习

MMU简介

MMU是Memory Management Unit的缩写，中文名是内存管理单元。它是一种负责处理中央处理器（CPU）的内存访问请求的计算机硬件。它的功能包括虚拟地址到物理地址的转换（即虚拟内存管理）、内存保护、中央处理器高速缓存的控制。

在linux中，用户态使用的内存是虚拟地址（Virtual Address，VA），实际硬件内存称为物理地址（Physical Address，PA）。用户访问内存看到的是VA，内核转化成PA操作实际物理地址。这里要提一下，实际MMU硬件支持2层转化，PA->IPA->VA，但是linux bypass了IPA，简化了流程（加密1次和加密2次效果一样）。

对用户体现虚拟地址，一方面可以起到安全作用（防止直接访问物理地址，查看我们存储的数据），另一方面减少用户对物理内存设备的关注，用户只要关注申请、读写、释放等使用内存操作即可。

DMA简介

操作系统中，内存的使用非常频繁，小到一个进程任务分配堆栈、申请内存，大到设备访问内存（读写等操作）。根据上述MMU功能介绍，这些内存使用都需要经过CPU从VA到PA的互相转化。而CPU的总线固定，一旦访问过多，访问有快有慢等，势必造成总线拥堵，影响性能。

此时加入DMA (Direct Memory Access，直接内存存取)硬件，它与外设和内存连接，将搜集的数据批量传输到内存，然后再发送一个中断通知CPU去内存取，这样减少了CPU被中断的次数，提高了系统的效率。如下图：

由于DMA不能像CPU一样通过MMU操作虚拟地址，所以DMA需要的是连续的物理地址。

smmu

A System Memory Management Unit (SMMU) performs a task that is analogous to that of an MMU in a PE, ** **. It is active for DMA only. Traffic in the other direction, from the system or PE to the device, is managed by other means – for example, the PE MMUs.

SMMU全称System Memory Management Unit，看名字很难理解是做什么的。其实 SMMU 和 MMU具有同样的作用，区别是供使用DMA的外设使用，同样提供页表转换工作，外设可通过页表转换访问物理地址，达到devices设备和进程一样使用虚拟地址。

官方给出的应用1：

如上图：

1）上面SMMU给（使能DMA）device提供地址转换功能。device 使用VA访问内存，smmu根据VA计算对应PA，访问物理内存；

2）下面SMMU一对一连接PCIe Root Complex (which itself hosts a network of endpoints)设备，为PCIE设备提供虚拟地址（通过ATS）功能。

官方给出的应用2：

1）SMMU A为complex device提供地址翻译功能；

2）SMMU B为多个device（使用同个I/O，经过DMA）提供地址翻译功能；

3）SMMU C并行提供多条路径，多个功能，以提供更高带宽，包括：
a. central translation table walker，包括主接口（用于获取翻译地址、初始化页表结构和队列）以及从接口（用于配置访问权限）。
b. 为多个device设备和PCIe提供虚拟化能力。

SMMU和MMU功能一样，为device设备提供地址转换功能，同时提供读写权限、Cache属性，更厉害的是MMU和SMMU可以共页表。

相对不同的是，一个MMU仅支持一个CPU，但是SMMU可以支持多个外设，为了区分这些外设，使用StreamID来标识，同个SMMU的StreamID必须唯一，不同SMMU的StreamID互不影响.

SMMU提供三大功能

1.地址转换功能，虚拟内存，提供1级页表和2级页表的能力；

2.地址读写权限属性、cache属性；

3.地址转换，存储空间扩展功能，比如设备需要地址空间大于物理内存空间；

如上图，smmu最大提供2级页表转换，并可控制 stage1 和 stage2 是否 bypass（bypass：不进行地址转换，直接透传）：

如果SMMU全局接口关闭（SMMU_CR0.SMMUEN == 0），地址不经过翻译直接bypass传输，相当于无smmu器件；
stage1 bypass，只提供IPA->PA； stage2 bypass，只提供VA->IPA；这里理解下，并不是说任一bypass，smmu就无法提供VA->PA的能力，而是只翻译一次。之前提过，linux的IPA是直接bypass，只用一次页表翻译的，所以理论上bypass stage1或stage2，翻译一次即可同linux页表翻译，此时比如只使能stage1，VA->IPA相当于VA->PA；

stream table entry（STE）

SMMU有2个数据结构保存stage1和stage2地址翻译信息，分别是 STE和CD（Context descriptor）

STE（stream table entry）：包含stage1初始化信息、CD表指针（CD中包含stage1的页表基地址和相关转换信息）、stage2的页表基地址以及相关转换信息（如果使能stage2的话）
Incoming transaction的stream定位STE。Stream表支持两种格式: Linear Stream Table 和 2-level Strem table.

Linear Stream Table

一个 linear Stream table 是一个连续的STE array，由StreamID从0开始索引。该大小可配置为STE大小的 2n 倍，直到 SMMU 硬件支持的最大 StreamID 位数。所有SMMU实现都支持线性流表格式

2-level Strem table

2-level Stream table 是由一个 top-level table 组成的结构，该表包含指向多个二级表的描述符，这些二级表包含STEs。整个结构所覆盖的 streamid 的跨度可以配置到SMMU支持的最大数量，但第二级表不需要完全填充，大小可能不同。这节省了内存，并避免了对非常大的stream空间进行大型物理连续分配的需求

如上
1）SMMU根据 STRTAB_BASE 查找 STE table，每个设备对应一个streamID，并对应一个STE表。
2）SMMU_(S_)STRTAB_BASE_CFG.SPLIT 决定是 Linear Stream Table 还是 2-level Stream Table 查表方式；
3）Linear Stream Table 方式每个 StreamID 对应一个STE
4）2-level Stream Table方式 StreamID 不同 bit 指向不同STE

Context descriptor（CD）

CD（Context descriptor）：包含stage1的页表基地址和相关转换信息；

stage1和stage2相关转换流程，如上图：

1）SMMU根据StreamID和SMMU_STRTAB_BASE查找到设备对应STE表；
2）SMMU检查STE表，STE.Config决定是否进行stage1转换，如果是，则（结合SubStreamID）根据S1ContextPtr指向对应CD表，CD表中包含stage1页表和转换的信息；
3）SMMU根据S2TTB（如果配置的话），查找stage2页表和转换信息；

由上可知每个SubStreamID对应一个CD表，SubStreamID对应每个用户态空间地址，换句话说，每个涉及对应外设的进程，都对应一个SubStreamID。

TLB（Translation Lookaside Buffer）

Translation Lookaside Buffer可翻译为“地址转换后援缓冲器”，也可简称为“快表”。用于存放页表转换关系的 cache，其中存储了当前最可能被访问到的页表项，其内容是部分页表项的一个副本。只有在TLB无法完成地址翻译任务时，才会到内存中查询页表，这样就减少了页表查询导致的处理器性能下降，提高页表转换的效率。

TLB miss：在TLB中没有找到需要查找的页表，需要到配置中查找；
TLB hit：在TLB中找到所需页表；
PTW：Page Table Walk，页表查找过程

SMMU整个查表流程,如上图是页表翻译过程：
1）外设输入VA、StreamID 和 SubStreamID 给SMMU；
2）SMMU 查表 STE 和 CD，找到 stage1 和 stage2 页表转换信息；
3）先通过 TLB 查找页表，找到则计算对应 PA 地址，没找到则根据 STE 和 CD 计算 PA；
4）将PA地址输出；

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