iommu分析之smmu v3的实现

smmu 除了完成 iommu 的统一的ops 之外，有自己独特的一些地方。
1、Stream Table
Stream Table是存在内存中的一张表，在SMMU设备初始化的时候由驱动程序创建好。
Stream Table支持2种格式，Linear Stream Table 和 2-level Stream Table， Linear Stream Table就是将整个Stream Table在内存中线性展开为一个数组，
优点是索引方便快捷，缺点是当平台上外设较少的时候浪费连续的内存空间。 2-level Stream Table则是将Stream Table拆成2级去索引，优点是更加节省内存。
但是请注意的是，Stream Table 的2-level的构造和 iommu支持的两个阶段的翻译不是一个概念，
SMMU支持2阶段地址翻译，这和内存虚拟化场景下MMU支持2阶段地址翻译类似， 第一阶段的地址翻译被用做进程（software entity）之间的隔离或者OS内的DMA隔离，
第二阶段的地址翻译被用来做DMA重映射，即将Guest发起的DMA映射到Guest的地址空间内。
第一阶段主要处理的是VA到IPA，第二阶段是IPA到PA

2、Stream Table的查找属于smmu的第一阶段查找么？
答案是肯定的，主要从看的角度来说。
我们经常表述的SMMU支持两阶段地址翻译，是指va到gpa为第一阶段，而gpa到hpa是第二阶段，
而stream table的查找是 属于前置查找，当然它可以实现为线性的，也可以实现为 2-level查找。
从术语上说，它都不属于前面所说的一阶段查找的一部分，但是它的结果又决定了stage1的行为。

3、Stream Table 是怎么申请内存的？
smmuv3对Stream Table申请内存的实现如下：

static int arm_smmu_init_strtab(struct arm_smmu_device *smmu)
{
	u64 reg;
	int ret;

	if (smmu->features & ARM_SMMU_FEAT_2_LVL_STRTAB)//二级表模式，类似于二级mmu页表来理解
		ret = arm_smmu_init_strtab_2lvl(smmu);
	else
		ret = arm_smmu_init_strtab_linear(smmu);//否则是线性模式，所谓线性就是可以理解为一维数组
....

如果是线性查找，则

static int arm_smmu_init_strtab_linear(struct arm_smmu_device *smmu)
{
	void *strtab;
	u64 reg;
	u32 size;
	struct arm_smmu_strtab_cfg *cfg = &smmu->strtab_cfg;

	size = (1 << smmu->sid_bits) * (STRTAB_STE_DWORDS << 3);//caq:ste为64字节，8<<3为64
	strtab = dmam_alloc_coherent(smmu->dev, size, &cfg->strtab_dma,
				     GFP_KERNEL | __GFP_ZERO);//条目数*64，然后申请内存,**注意这里是一次性申请完**，和二级不一样
	if (!strtab) {
		dev_err(smmu->dev,
			"failed to allocate linear stream table (%u bytes)\n",
			size);
		return -ENOMEM;
	}
	cfg->strtab = strtab;//caq:申请的内存地址记录下来，stream table的基地址
	cfg->num_l1_ents = 1 << smmu->sid_bits;//条目数

	/* Configure strtab_base_cfg for a linear table covering all SIDs */
	reg  = FIELD_PREP(STRTAB_BASE_CFG_FMT, STRTAB_BASE_CFG_FMT_LINEAR);//caq:配置stream table（STRTAB_BASE_CFG）的log2size, ste的entry数目是2 ^ log2size
	reg |= FIELD_PREP(STRTAB_BASE_CFG_LOG2SIZE, smmu->sid_bits);
	cfg->strtab_base_cfg = reg;//

	arm_smmu_init_bypass_stes(strtab, cfg->num_l1_ents);
	return 0;
}

如果是2-level查找，则

//caq:二级表的初始化，查找的索引为SID，也就是streamid
static int arm_smmu_init_strtab_2lvl(struct arm_smmu_device *smmu)
{
	void *strtab;
	u64 reg;
	u32 size, l1size;
	struct arm_smmu_strtab_cfg *cfg = &smmu->strtab_cfg;

	/* Calculate the L1 size, capped to the SIDSIZE. */
	size = STRTAB_L1_SZ_SHIFT - (ilog2(STRTAB_L1_DESC_DWORDS) + 3);
	size = min(size, smmu->sid_bits - STRTAB_SPLIT);
	cfg->num_l1_ents = 1 << size;//caq:计算有多少一级条目

	size += STRTAB_SPLIT;
	if (size < smmu->sid_bits)
		dev_warn(smmu->dev,
			 "2-level strtab only covers %u/%u bits of SID\n",
			 size, smmu->sid_bits);

	l1size = cfg->num_l1_ents * (STRTAB_L1_DESC_DWORDS << 3);//一级表*8，就是一个指针大小
	strtab = dmam_alloc_coherent(smmu->dev, l1size, &cfg->strtab_dma,
				     GFP_KERNEL | __GFP_ZERO);//caq:先申请一级表大小，请注意，看起来二级表是通过pagefault
	if (!strtab) {
		dev_err(smmu->dev,
			"failed to allocate l1 stream table (%u bytes)\n",
			size);
		return -ENOMEM;
	}
	cfg->strtab = strtab;//caq:记录一级表位置，也就是stream table的基地址，是一个指针数组

	/* Configure strtab_base_cfg for 2 levels */
	reg  = FIELD_PREP(STRTAB_BASE_CFG_FMT, STRTAB_BASE_CFG_FMT_2LVL);//caq:fmt为2level
	reg |= FIELD_PREP(STRTAB_BASE_CFG_LOG2SIZE, size);
	reg |= FIELD_PREP(STRTAB_BASE_CFG_SPLIT, STRTAB_SPLIT);
	cfg->strtab_base_cfg = reg;//caq:要按照二级查找的模式构造这个值，最终会将这个值刷到对应的寄存器

	return arm_smmu_init_l1_strtab(smmu);
} 

那么，streamtable什么时候使用线性查找，什么时候使用二阶查找呢？

#define IDR1_SSIDSIZE			GENMASK(10, 6)//硬件支持substreamID的bit数,0表示不支持substreamid
#define IDR1_SIDSIZE			GENMASK(5, 0)//硬件支持streamID的bit数,0表示支持一个stream
	/* SID/SSID sizes */
	smmu->ssid_bits = FIELD_GET(IDR1_SSIDSIZE, reg);//caq:从硬件上支持的位数
	smmu->sid_bits = FIELD_GET(IDR1_SIDSIZE, reg);//caq:从bit看支持64，但spec里面就是20bit，
	/*
	 * If the SMMU supports fewer bits than would fill a single L2 stream
	 * table, use a linear table instead.
	 */
	if (smmu->sid_bits <= STRTAB_SPLIT)//caq:如果小于8bit，则没必要用二阶表
		smmu->features &= ~ARM_SMMU_FEAT_2_LVL_STRTAB;//caq:直接用线性表

#define STRTAB_L1_SZ_SHIFT		20//caq:20位的streamid，按照高 STRTAB_SPLIT 位来拆分
#define STRTAB_SPLIT			8//caq:20位的streamid，高8位用来查找ste，低12位用来查找二层真正的ste entry

如果硬件支持的streamid的bit小于8，则只使用线性查找。

3、streamid，substreamid到底代表啥？
一个smmu可以有多个设备连着，他们的页表除非共用，否则肯定不一样，SMMU 用stream id作区分，注意，此时区分的是设备。
【StreamID去索引Stream Table中的STE（Stream Table Entry）】
一个设备有多个进程会使用，所以smmu单元也要支持多页表，smmu使用substream id区分多进程的io页表。

同样x86上也有类似的区分机制，不同的是x86是使用Request ID来区分的，Request ID默认是PCI设备分配到的BDF号。
看SMMUv3 Spec，又有说明：对于PCI设备StreamID就是PCI设备的RequestID， 两者其实就是同一个东西。
只是一个是从SMMU的角度去看就成为StreamID，从PCIe的角度去看就称之为RequestID。 同时，一个设备可能被多个进程使用，
多个进程有多个页表，设备需要对其进行区分，SMMU使用SubstreamID来对其进行表示。 SubstreamID的概念和PCIe PASID是等效的，
这只不过又是在ARM上的另外一种称呼而已。 SubstreamID最大支持20bit和PCIe PASID的最大宽度是一致的。

设备master发起一笔DMA请求，请求的总线信息中带有streamid、subtreamid、iova(也就是大家理解的address)等参数，
smmu硬件收到该请求会自动通过streamid检索到STE表（目前我们N2是采用二级STE表），再通过substreamid检索到这个STE表指向的CD表
（就是context description表），从CD表中找到页表基地址，开始页表查找过程，找到IOVA对应的物理地址，再对这个物理地址发起一次DMA请求。
由于smmu是为master服务的，可以称其为秘书，这个master可以是一个pcie的设备，也可能是其他设备。

todo。。。。。。

同X86上一样，ARM上的设备直通关键也是要解决DMA重映射和直通设备中断投递的问题。 但和X86上不一样的是，

ARMv8-A上使用的是SMMU v3.1来处理设备的DMA重映射，这个在smmuv3的驱动代码就能看出，但是中断的话，

由于arm进入服务器领域较晚，所以arm迭代的支持虚拟化的中断是在GICv3中断控制器来完成的，

并没有像x86那样使用一个 **虚拟的 irq_chip **来完成。

SMMUv3和GICv3在设计的时候考虑了更多跟虚拟化相关的实现， 针对虚拟化场景有一定的改进和优化。