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baron · 2023年02月10日 · 江苏

SMMU学习这一篇就够了(软件硬件原理/模型导读)

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

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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
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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

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官方给出的示例图如下所示:
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示例图2:
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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。
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而一个SMMU中可以放置多个 ACE-LiteTBU模块,也可以放置 LTI TBU
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TBU原理图
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LTI TBU的原理图
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TCU的原理图
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2.3. StreamID
2.4 STE Table 和 STE format

STE Table 分为 LinearStreamTablemutil-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)
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2.4.2 一个 2-level Stream Table 的示例

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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
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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。
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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。
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2.5 寄存器的介绍

SMMU寄存器都是memory-map的
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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

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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
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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。

后记

花里胡哨的题目写习惯了,没办法。此篇入入门就可以了,其实SMMU的Translation table的页表格式和MMU的页表格式看起来也都一样的。懂MMU的自然就懂

作者:代码改变世界ctw
文章来源:ARM精选

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