news 2026/4/21 17:35:10

给Linux内核SMMUv3驱动做一次“体检”：从设备树解析到硬件探测的完整流程

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张小明

前端开发工程师

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给Linux内核SMMUv3驱动做一次“体检”：从设备树解析到硬件探测的完整流程

Linux内核SMMUv3驱动深度解析：从设备树到硬件探测的全流程指南

在嵌入式系统和服务器领域，内存管理单元（MMU）对于CPU的内存访问至关重要，而系统内存管理单元（SMMU）则为设备提供了类似的功能。本文将带您深入探索Linux内核中SMMUv3驱动的初始化过程，揭示从设备树解析到硬件探测的完整技术细节。

1. SMMUv3架构概览与核心概念

SMMUv3（System Memory Management Unit version 3）是ARM架构中用于管理设备直接内存访问（DMA）的关键组件。它实现了IOMMU（输入输出内存管理单元）的功能，为系统中的外设提供了地址转换和访问控制能力。

SMMUv3的核心功能模块：

  • 地址转换：将设备发出的虚拟地址（VA）转换为物理地址（PA）
  • 访问控制：检查设备是否有权限访问特定内存区域
  • 中断处理：管理来自SMMU硬件的事件和错误中断
  • 队列管理：处理命令队列（CMD Queue）、事件队列（Event Queue）等

与传统的MMU不同，SMMU需要支持多个设备同时访问，因此引入了Stream ID（SID）和Substream ID（SSID）的概念：

概念描述作用
Stream ID设备标识符区分不同设备的地址空间
Substream ID进程标识符支持设备内多进程的地址隔离

SMMUv3的典型工作流程如下：

  1. 设备发起DMA请求，携带Stream ID和Substream ID
  2. SMMU根据Stream ID查找Stream Table Entry（STE）
  3. 从STE中获取Context Descriptor（CD）表的信息
  4. 使用Substream ID索引CD表，获取页表基地址
  5. 完成地址转换并检查访问权限

2. 设备树解析：SMMU的硬件描述

Linux内核通过设备树（Device Tree）获取SMMU硬件的配置信息。典型的SMMUv3设备树节点如下：

smmu@2b400000 { compatible = "arm,smmu-v3"; reg = <0x0 0x2b400000 0x0 0x20000>; interrupts = <GIC_SPI 74 IRQ_TYPE_EDGE_RISING>, <GIC_SPI 75 IRQ_TYPE_EDGE_RISING>, <GIC_SPI 77 IRQ_TYPE_EDGE_RISING>, <GIC_SPI 79 IRQ_TYPE_EDGE_RISING>; interrupt-names = "eventq", "priq", "cmdq-sync", "gerror"; dma-coherent; #iommu-cells = <1>; msi-parent = <&its 0xff0000>; };

关键属性解析：

  • compatible：用于匹配SMMU驱动，必须包含"arm,smmu-v3"
  • reg：SMMU寄存器的物理地址和大小
  • interrupts：定义四个关键中断源
  • #iommu-cells：必须设置为1，表示每个设备需要一个Stream ID
  • dma-coherent：指示SMMU是否支持缓存一致性

驱动通过arm_smmu_device_dt_probe()函数解析这些属性：

static int arm_smmu_device_dt_probe(struct platform_device *pdev, struct arm_smmu_device *smmu) { if (of_property_read_u32(dev->of_node, "#iommu-cells", &cells)) dev_err(dev, "missing #iommu-cells property\n"); else if (cells != 1) dev_err(dev, "invalid #iommu-cells value (%d)\n", cells); parse_driver_options(smmu); if (of_dma_is_coherent(dev->of_node)) smmu->features |= ARM_SMMU_FEAT_COHERENCY; return 0; }

3. 硬件探测与寄存器分析

SMMUv3驱动通过读取三个关键识别寄存器（IDR0、IDR1和IDR5）来探测硬件能力。这些寄存器提供了SMMU实现的具体特性信息。

IDR0寄存器关键字段分析：

位域名称描述
27ST_LEVELStream表格式（0=线性，1=两级）
25:24TERM_MODEL错误处理模式
22:21TTENDIAN转换表字节序支持
19CD2L是否支持两级CD表
16PRI是否支持Page Request Interface
10ATS是否支持Address Translation Service
1S1P是否支持Stage1转换
0S2P是否支持Stage2转换

驱动通过arm_smmu_device_hw_probe()函数读取并解析这些寄存器：

static int arm_smmu_device_hw_probe(struct arm_smmu_device *smmu) { u32 reg; reg = readl_relaxed(smmu->base + ARM_SMMU_IDR0); if (FIELD_GET(IDR0_ST_LVL_MASK, reg) == IDR0_ST_LVL_2LVL) smmu->features |= ARM_SMMU_FEAT_2_LVL_STRTAB; if (reg & IDR0_CD2L) smmu->features |= ARM_SMMU_FEAT_2_LVL_CDTAB; // 其他特性探测... }

IDR1寄存器主要提供队列和标识符大小的信息：

  • CMDQ、EVENTQ和PRIQ的最大条目数（log2值）
  • Stream ID和Substream ID支持的位数
  • 表格基地址是否固定

IDR5寄存器则包含：

  • 支持的地址大小（VAX字段）
  • 支持的转换粒度（4K/16K/64K）
  • 输出地址大小（OAS）

4. 数据结构初始化：STE、CD与队列

SMMUv3驱动需要初始化多个关键数据结构，包括Stream表、Context描述符表和各种队列。

4.1 Stream表初始化

Stream表是SMMUv3的核心数据结构，每个条目（STE）大小为64字节，包含一个设备的所有转换配置。驱动根据IDR0.ST_LEVEL决定使用线性表还是两级表结构。

线性Stream表初始化流程：

  1. 计算表大小：(1 << sid_bits) * 64
  2. 分配连续DMA内存
  3. 初始化所有STE为bypass模式
  4. 配置STRTAB_BASE和STRTAB_BASE_CFG寄存器
static int arm_smmu_init_strtab_linear(struct arm_smmu_device *smmu) { size_t size = (1 << smmu->sid_bits) * (STRTAB_STE_DWORDS << 3); void *strtab = dmam_alloc_coherent(smmu->dev, size, &cfg->strtab_dma, GFP_KERNEL); reg = FIELD_PREP(STRTAB_BASE_CFG_FMT, STRTAB_BASE_CFG_FMT_LINEAR); reg |= FIELD_PREP(STRTAB_BASE_CFG_LOG2SIZE, smmu->sid_bits); arm_smmu_init_bypass_stes(strtab, cfg->num_l1_ents); }

两级Stream表则更为复杂，需要额外初始化L1描述符表：

  1. 计算L1表大小：(1 << (log2size - split)) * 8
  2. 分配L1表内存
  3. 为每个L1描述符分配L2表
  4. 初始化所有STE

4.2 队列初始化

SMMUv3使用三种主要队列与软件交互：

  1. 命令队列（CMD Queue）：软件发送命令给SMMU
  2. 事件队列（Event Queue）：SMMU报告错误和事件
  3. PRI队列：处理页请求接口（可选）

队列初始化在arm_smmu_init_queues()中完成：

static int arm_smmu_init_queues(struct arm_smmu_device *smmu) { ret = arm_smmu_init_one_queue(smmu, &smmu->cmdq.q, ARM_SMMU_CMDQ_PROD, ARM_SMMU_CMDQ_CONS, CMDQ_ENT_DWORDS, "cmdq"); ret = arm_smmu_init_one_queue(smmu, &smmu->evtq.q, ARM_SMMU_EVTQ_PROD, ARM_SMMU_EVTQ_CONS, EVTQ_ENT_DWORDS, "evtq"); if (smmu->features & ARM_SMMU_FEAT_PRI) ret = arm_smmu_init_one_queue(smmu, &smmu->priq.q, ARM_SMMU_PRIQ_PROD, ARM_SMMU_PRIQ_CONS, PRIQ_ENT_DWORDS, "priq"); return ret; }

每个队列都有生产者和消费者指针，SMMU硬件从队列中取命令或向队列写入事件。

5. 硬件配置与中断设置

完成数据结构初始化后，驱动需要配置SMMU硬件寄存器并设置中断处理。

关键硬件配置步骤：

  1. 禁用SMMU（清除CR0寄存器）
  2. 配置队列基地址寄存器（CMDQ_BASE、EVTQ_BASE等）
  3. 配置Stream表基地址寄存器（STRTAB_BASE）
  4. 启用SMMU（设置CR0寄存器）
static int arm_smmu_device_reset(struct arm_smmu_device *smmu) { /* 禁用SMMU */ arm_smmu_device_disable(smmu); /* 配置队列寄存器 */ writeq_relaxed(smmu->cmdq.q.q_base, smmu->base + ARM_SMMU_CMDQ_BASE); writel_relaxed(smmu->cmdq.q.llq.prod, smmu->base + ARM_SMMU_CMDQ_PROD); writel_relaxed(smmu->cmdq.q.llq.cons, smmu->base + ARM_SMMU_CMDQ_CONS); /* 配置Stream表 */ writeq_relaxed(smmu->strtab_cfg.strtab_base, smmu->base + ARM_SMMU_STRTAB_BASE); writel_relaxed(smmu->strtab_cfg.strtab_base_cfg, smmu->base + ARM_SMMU_STRTAB_BASE_CFG); /* 启用SMMU */ enables = CR0_CMDQEN; arm_smmu_write_reg_sync(smmu, enables, ARM_SMMU_CR0, ARM_SMMU_CR0ACK); }

中断处理设置：

SMMUv3支持多种中断类型，驱动需要为每种中断注册处理函数：

  • 事件队列中断：处理SMMU事件
  • 命令队列同步中断：处理命令完成通知
  • 全局错误中断：处理全局错误条件
static int arm_smmu_setup_irqs(struct arm_smmu_device *smmu) { /* 全局错误中断 */ ret = devm_request_irq(smmu->dev, smmu->gerr_irq, arm_smmu_gerror_handler, 0, "arm-smmu-v3-gerror", smmu); /* 事件队列中断 */ ret = devm_request_irq(smmu->dev, smmu->evtq.q.irq, arm_smmu_evtq_handler, 0, "arm-smmu-v3-evtq", smmu); /* 其他中断... */ }

典型的中断处理流程包括：

  1. 读取中断状态寄存器
  2. 根据中断类型处理相应事件
  3. 清除中断状态位

6. 设备连接与地址空间管理

SMMUv3驱动最后需要注册到Linux IOMMU框架，使设备能够连接到SMMU实例。

关键操作结构体：

static struct iommu_ops arm_smmu_ops = { .capable = arm_smmu_capable, .domain_alloc = arm_smmu_domain_alloc, .domain_free = arm_smmu_domain_free, .attach_dev = arm_smmu_attach_dev, .map = arm_smmu_map, .unmap = arm_smmu_unmap, .iova_to_phys = arm_smmu_iova_to_phys, .add_device = arm_smmu_add_device, .remove_device = arm_smmu_remove_device, };

设备连接流程：

  1. 总线发现设备并调用add_device回调
  2. 为设备创建或查找IOMMU group
  3. 分配IOMMU domain
  4. 调用attach_dev将设备连接到domain

在arm_smmu_attach_dev中，驱动会：

  1. 为设备分配ASID（地址空间ID）
  2. 初始化CD表（Context Descriptor）
  3. 配置STE指向CD表
  4. 建立页表转换结构
static int arm_smmu_attach_dev(struct iommu_domain *domain, struct device *dev) { /* 获取SMMU domain */ smmu_domain = to_smmu_domain(domain); /* 分配ASID */ asids = arm_smmu_bitmap_alloc(); /* 根据转换阶段初始化 */ if (smmu_domain->stage == ARM_SMMU_DOMAIN_S1) { ret = arm_smmu_domain_finalise_s1(domain, master); } else { ret = arm_smmu_domain_finalise_s2(domain, master); } /* 配置STE */ arm_smmu_write_ctx_desc(master, 0, &smmu_domain->s1_cfg.cdcfg); }

地址空间隔离：

SMMUv3通过Stream ID和Substream ID实现设备间的地址空间隔离：

  1. 每个设备有唯一的Stream ID
  2. 设备内不同进程使用不同Substream ID
  3. 每个Substream ID对应独立的CD和页表

这种设计使得SMMU能够同时支持多个设备的DMA操作，同时保持地址空间的隔离性和安全性。

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