之前有朋友总结过SMMU的知识，感兴趣的话看看《ARM系列 -- SMMU（一）》，《ARM系列 -- SMMU（二）》。
在CPU内部，完成地址转换的部件是MMU（Memory Management Unit），基本原理是把CPU的地址空间划分成若干大小相等的空间（段式，页式，段页式），通过重新映射的方式把CPU的地址空间对应到内存的物理地址空间。这种方式，就是把CPU地址分为两个高位和低位部分，低位地址表示在同一个段/页内的地址偏移，而高位地址会被映射到不同的内存位置。MMU要做的就是维护这个地址映射。前文已经介绍过MMU，《ARM系列 -- MMU》。本篇是对前面这几篇的一个补充。
在前面讲虚拟化的时候，也提到过ARM支持两步地址转换Stage 1和Stage2。一般由操作系统控制Stage 1地址转换。之所以要分两步，目的是增加Stage 2允许hypervisor控制虚拟机（VM）的内存视图。也就是说，Stage 2允许hypervisor控制虚拟机可以访问哪些系统资源，以及这些资源在虚拟机地址空间中的位置。Stage 2转换使得虚拟机只能看到分配给它自己的资源，而看不到分配给其它虚拟机或hypervisor的资源。
SMMU是System Memory Management Unit的缩写。从名字看，SMMU是应用于除了CPU以外的系统部件的MMU，也就是维护系统部件的地址转换，起到隔离等作用。
ARM中的SMMU目前架构版本有四个版本，分别是SMMUv3.0，SMMUv3.1，SMMUv3.2，SMMUv3.3，最新的架构版本是SMMUv3.3。ARM提供的最新IP是MMU-700，支持SMMUv3.2，估计不久就会有新的IP出现了。
我们今天来捋一捋MMU-700，简单了解一下这个IP的硬件设计。依据不同的设计需要，MMU-700可以用来做：
- Stage 1地址转换，也就是把虚拟地址（Virtual Address，VA）转成中间地址（Intermediate Physical Address，IPA）；
- Stage 2地址转换，把IPA转成PA；
- Stage 1和Stage 2地址转换，也就是先把VA转成IPA，再把IPA转成PA；
MMU-700里面的重要组件分为三种，分别是：
- TBU（Translation Buffer Unit），使用TLB缓存地址转换表；
- TCU（Translation Control Unit），控制和管理地址转换；
- DTI（Distributed Translation Interface），连接TBU与TCU；
所以在一个子系统里面，可能会有多个TBU，这些TBU需要通过DTI与TCU连接。一个系统集成方案如下两个图所示：
在这两个例子中，PCIe控制器（或者其它的IO控制器）访问系统资源时，发出的地址需要经过转换才能发送到互连网络上进行下一步路由。PCIe控制器的地址先发给TBU，TBU接收到请求以后会去查询内部的TLB，如果这段地址转换在TLB中，则地址转换成功；如果不在TLB中，则TBU需要发送请求给TCU。
这两个例子的不同之处在于TBU与PCIe控制器的接口，第一个例子中，PCIe控制器通过ACE-Lite访问TBU；第二个例子中，PCIe控制器通过LTI访问TBU，PCIe控制器与系统总线还有一个CHI协议连接。MMU-700与MMU-600的一个不同之处就是，MMU-600并不支持LTI。
接下来一个一个分析这几个组件。
TBU
先看接口部分，TBU与IO控制器的接口可以是ACE-lite或者LTI（Local Translate Interface）中的一种，在配置MMU-700的时候可选择，这两种TBU的内部结构也稍有不同。按照这两种不同的接口，TBU也可以被称为ACE-Lite TBU和LTI TBU，看文档的时候如果看到，就知道这个TBU是哪种接口了。
TBU的接口包括以下这些：
- ACE-Lite TBS（Translation Slave），接收IO控制器的内存访问请求 - ACE-Lite TBM（Translation Master），发送内存访问请求到系统总线 - LTI，ARM有文档定义这个接口
- LPI_PD，这是一个Q-channel，如果与这个TBU相连接的IO控制器掉电了，那么这个TBU也可以掉电。之前讲Q-channel和PPU的时候提过，Q-channel只是做低功耗控制握手协议，真正控制电源开关的部分不在Q-channel或PPU里
- LPI_CG，也是一个Q-channel，用于动态时钟关断。外部的时钟控制器监测到TBU处于non-active时，可以动态关断TBU的时钟
- DTI interface，双向的AXI-Stream总线。TBU通过这个接口，使用DTI-TBU协议，向TCU请求地址转换
- 中断，如果看过中断控制器GIC的文章，这个没啥好说的了
TBU内部的模块包括：
- Master and slave接口模块，上面已经讲过了
- Micro TLB，提供从输入地址到输出地址的端到端转换
- Main TLB，缓存TLB条目
- Translation manager，管理控制地址转换请求
- PMU，记录性能相关的事件数量
- Clock and power control，控制TBU的电源和时钟
- DTI接口模块
- Transaction tracker，管理超发（outstanding）的读/写事务
TCU
TCU的接口如下：
- QTW/DVM，这是一个ACE‑Lite+DVM的主接口
- APB4从接口，用于访问和配置TCU的内部寄存器
- LPI_PD，电源管理的Q-channel
- LPI_CG，动态时钟管理的Q-channel
- DTI interface
- MSI interface，也是AXI-strem，可以直接将消息信号中断（MSI）连接到通用中断控制器（GIC），避免系统中的复杂依赖关系
- System coherency interface
TCU内部的模块包括：
- Walk cache，可配置bank和way的组相联缓存，记录translation table walks（不知道怎么翻译了）的结果
- Configuration cache，4路组相联的缓存，用于存储配置信息
- Translation manager，管理正在进行中的地址转换请求
- Translation request buffer，当Translation manager填满时，这个buffer存储来自TBU的地址转换请求，可防止请求过多导致DTI接口被阻塞
- PMU，记录性能相关的事件数量
- Clock and power control，电源和时钟管理
- Queue manager，管理SMMU的队列
- QTW/DVM interface
- Register file，SMMU的内部寄存器
- DTI interface，与DTI相连接
DTI
DTI相对简单一些，就是起到连接TBU和TCU的作用。因为AXI-stream本身是单方向传输的，所以要支持双向传输就需要两个AXI-stream。这在介绍GIC的时候提到过。
关于在DTI上传输的具体协议，ARM也有规定，感兴趣可以去查看DTI协议手册。这一点也和GIC比较像，不知道大家还记得GIC stream不？
为啥提了很多次GIC呢？这是因为GIC与SMMU有一定关系。SMMU主要是为了IO控制器访存时的地址转换，PCIe是系统中主要的IO（CPU中的PCIe一般都是root complex），且PCIe支持消息中断（MSI），基本原理就是设备写主机的一个特殊寄存器既可以产生中断。为了支持消息中断，GIC里面提供了一个组件，叫ITS。所以，一般在集成PCIe子系统的时候，PCIe控制器，SMMU和ITS都是必须的。
今天先到这里吧。
原文链接：老秦谈芯
作者：老秦谈芯
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