SMMU学习这一篇就够了

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前言

最近朋友圈、微信群( ARM-Trustzone-TEE-AT)掀起一阵学习SMMU的热潮，作为一名安全领域的渣渣，势必要蹭一蹭这个“热点”，也学习一下吧，反正早晚都要学，因为它和安全的关系还是比较大的。学习是一件长期的过程，本文就先简单理一下概念吧。

1、SMMU总结

1.1、SMMU的timeline

1.2、SMMU的简介

SMMU的全称是System Memory Management Units，它属于Arm的System IP，主要给其他Master来使用，其连页表格式和Core MMU是一样的，理论上可以让Core的MMU和SMMU使用同一套页表.

那么SMMU都是用在哪些地方呢？*以下展示了一个usecase，来自arm官方博客（February 17, 2014），也是比较早期的一个Sample case

1.3、为什么要使用SMMU?

访问非连续的地址现在系统中很少再预留连续的memory，如果Master需要很多memory，可以通过SMMU把一些非连续的PA映射到连续的VA，例如给DMA，VPU，DPU使用。

32位转换成64位现在很多系统是64位的，但是有些Master还是32位的，只能访问低4GB空间，如果访问更大的地址空间需要软硬件参与交换memory，实现起来比较复杂，也可以通过SMMU来解决，Master发出来的32位的地址，通过SMMU转换成64位，就很容易访问高地址空间。

限制Master的访问空间 Master理论上可以访问所有的地址空间，可以通过SMMU来对Master的访问进行过滤，只让Master访问受限的区域，那这个区域也可以通过CPU对SMMU建立页表时动态控制。

用户态驱动现在我们也看到很多系统把设备驱动做在用户态，调用驱动时不需要在切换到内核态，但是存在一些安全隐患，就是用户态直接控制驱动，有可能访问到内核空间，这种情况下也可以用SMMU来实现限制设备的访问空间。

设备虚拟化例如设备虚拟化有多种方式，Emulate，Para-virtualized，以及Pass-through，用SMMU可以实现Pass though，这样无论是性能，还是软件的改动都是比较小的。一些不支持TrustZone的Master，可以利用SMMU支持Trustzone。

2. SMMU原理解读

2.1. SMMU的使用模型

SMMU全称System Memory Management Unit，其实SMMU和MMU具有同样的作用，区别是供给Master使用，同样提供页表转换工作，Master可通过页表转换访问物理地址，达到Master一样使用虚拟地址.

官方给出的示例图如下所示：

示例图2：

2.2. SMMU的硬件原理图

学过MMU的人都知道，MMU是由 TLB+AddressTranslation, 那么对于SMMU呢？它是由TBU + TCU组成，其中TBU中含有TLB， TCU缓存地址翻译。DTI则是SMMU内部的连接总线的协议。

而一个SMMU中可以放置多个 ACE-LiteTBU模块，也可以放置 LTI TBU

TBU原理图

LTI TBU的原理图

TCU的原理图

2.3. StreamID

2.4 STE Table 和 STE format

STE Table 分为 LinearStreamTable和 mutil-levelStreamTable，这是由于 STRTAB_BASE_CFG中的比特位配置

2.4.1 一个 Linear Stream Table的示例

这种查询方式很简单，根据streamID的数值，直接查询到对应的STE（streamID entry）

2.4.2 一个 2-level Stream Table 的示例

2.4.3 Multi-level Stream and CD tables

而事实上，一个STE，又可以对应多个Context Descriptor

这里小小总结一下：这里的一个Context Descriptor 就相当于 MMU系统中的 TTBRx + TCR寄存器。这里Stage 1 Transslation tables的格式和MMU页表的格式一致。

2.4.4 Translation stages and addresses

地址翻译也是份stage1和stage2的，这和MMU也是一致的。

2.4.5 Configuration and translation lookup sequence

SMMU地址翻译的原理或数据里如下图所示，这是在学习MMU的时候未曾见过的那么细致的图。

2.5 寄存器的介绍

SMMU寄存器都是memory-map的

SMMU里有两套寄存器，一套是给安全master用的，一套是给非安全master用的。其实就相当于有两个SMMU了。如下我也列举了几个特别的寄存器，带S的是给安全用的，不带S的是给非安全用的。所以，硬件仅仅有一块SMMU，但从软件的视角来看，有两块SMMU
SMMUSTRTABBASE
SMMUSSTRTAB_BASE
SMMUSTRTABBASE_CFG
SMMUSSTRTABBASECFG

2.6 Stream Table Entry

2.8 Context Descriptor table可以看出，这里的Context Descriptor 就有点类似于MMU里的 TTBRx + TCR寄存器的味道

3. 总结

（1）MMU 只能给一个core用。而SMMU想给多个master用，多个master又对应不同的表。所以就搞了个STE。每一个STE entry里，都可以指向多个context descriptor （我觉得一般也就只用一个吧），然后每一个context descriptor 就相当于 MMU的TTBRx + TCR寄存器。context Descriptor之后，就和普通的MMU一样。

（2）SMMU里有两套寄存器，一套是给安全master用的，一套是给非安全master用的。从软件视角来看，其实就相当于有两个SMMU了。但这不是banked，他们的寄存器名字不一样，一类带了S，一类不带S。而且寄存器memory-map的地址还不一样。

（3）SMMU又有Secure STE 和 Non-secure STE的概念， Secure STE 后面的页表/地址转换，可以转secure memory，也可以转non-secure memory。Non-Secure STE 后面的页表/地址转换，只可以转non-secure memory。这和MMU里的Descriptor里的NS比特也是一样的。

原作者：代码改变世界ctw

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