1. 什么是SMMU？SMMU（system mmu),是I/O device与总线之间的地址转换桥。
它在系统的位置如下图：它与mmu的功能类似，可以实现地址转换，内存属性转换，权限检查等功能。
2. 为什么需要SMMU？了解SMMU出现的背景，需要知道系统中的两个概念：DMA和虚拟化。
DMA：（(Direct Memory Access），直接内存存取, 是一种外部设备不通过CPU而直接与系统内存交换数据的接口技术 。
外设可以通过DMA，将数据批量传输到内存，然后再发送一个中断通知CPU取，其传输过程并不经过CPU， 减轻了CPU的负担。
但由于DMA不能像CPU一样通过MMU操作虚拟地址，所以DMA需要连续的物理地址。
虚拟化：在虚拟化场景， 所有的VM都运行在中间层hypervisor上，每一个VM独立运行自己的OS（guest OS）,Hypervisor完成硬件资源的共享, 隔离和切换。
但对于Hypervisor + GuestOS的虚拟化系统来说, guest VM使用的物理地址是GPA, 看到的内存并非实际的物理地址(也就是HPA)，因此Guest OS无法正常的将连续的物理地址分给硬件。
因此，为了支持I/O透传机制中的DMA设备传输，而引入了IOMMU技术（ARM称作SMMU）。
总而言之，SMMU可以为ARM架构下实现虚拟化扩展提供支持。
它可以和MMU一样，提供stage1转换（VA->PA）, 或者stage2转换（IPA->PA）,或者stage1 + stage2转换（VA->IPA->PA）的灵活配置。
[VA：虚拟地址；IPA: 中间物理地址；PA：物理地址]3. SMMU常用概念术语 概念StreamID 一个平台上可以有多个SMMU设备，每个SMMU设备下面可能连接着多个Endpoint， 多个设备互相之间可能不会复用同一个页表，需要加以区分，SMMU用StreamID来做这个区分( SubstreamID的概念和PCIe PASID是等效的)STE Stream Table Entry, STE里面包含一个指向stage2地址翻译表的指针，并且同时还包含一个指向CD（Context Descriptor）的指针.CD Context Descriptor, 是一个特定格式的数据结构，包含了指向stage1地址翻译表的基地址指针4. SMMU数据结构查找SMMU翻译过程需要使用多种数据结构，如STE, CD，PTW等。
4.1 SID查找STEStream Table是存放在内存中的一张表，在SMMU驱动初始化时由驱动程序创建好。
Stream table有两种格式，一种是Linear Stream Table, 一种是2-level Stream Table.1. Linear Stream TableLinear Stream Table是将整个stream table在内存中线性展开成一个数组， 用Stream Id作为索引进行查找.Linear Stream Table 实现简单，只需要一次索引，速度快；但是平台上外设较少时，浪费连续的内存空间。
2. 2-level Stream Table2-level Stream Table， 顾名思义，就是包含2级table, 第一级table， 即STD，包含了指向二级STE的基地址STD。
第二级STE是Linear stream Table. 2-level Stream Table的优点是更加节省内存。
SMMU根据寄存器配置的STRTAB_BASE地址找到STE， STRTAB_BASE定义了STE的基地值， Stream id定义了STE的偏移。
如果使用linear 查找， 通过STRTAB_BASE + sid 64（一个STE的大小为64B）找到STE；若使用2-level查找， 则先通过sid的高位找到L1_STD（STRTAB_BASE + sid[9:8] 8, 一个L1_STD的大小为8B）, L1_STD定义了下一级查找的基地址，然后通过sid 找到具体的STE（l2ptr + sid[7:0] 64）.最终找到的STE如下所示，表中的信息包含属性相关信息， 翻译模式信息（是否 stream bypass, 若否，选择stage1, stage2或者stage1 + stage2翻译模式）。
找到STE后可以进一步开始S1翻译或S2翻译.4.2 SSID查找CDCD包含了指向stage1地址翻译表的基地址指针.如下图所示， STE指明了CD数据结构在DDR中的基地址S1ContextPTR, SSID(substream id)指明了CD数据结构的偏移，如果SMMU选择进行linear, 则使用S1ContextPTR + 64 ssid 找到CD。
如果SMMU选择2-level, 则使用ssid进行二级查找获得CD（与上节STE的方式一致）。
最终找到的CD如下所示：表中信息包含memory属性，翻译控制信息，异常控制信息以及Page table walk(PTW)的起始地址TTB0, TTB1， 找到TTBx后，就可以PTW了。
5. SMMU地址转换5.1 单stage的地址转换： TTB 和 VA[47:39]组成获取Level0页表的地址PA； Level0页表中的next-level table address 和 VA[38:30]组成获取Level1的页表地址PA； Level1页表中的next-level table address 和 VA[29:21]组成获取Level2的页表地址PA； Level2页表中的next-level table address 和 VA[20:12]组成获取Leve3的页表地址PA； level3页表中的output address和va[12:0]组成获取组后的钻换地址在stage1地址翻译阶段：硬件先通过StreamID索引到STE，然后用SubstreamID索引到CD， CD里面包含了stage1地址翻译（把进程的GVA/IOVA翻译成IPA）过程中需要的页表基地址信息、per-stream的配置信息以及ASID。
在stage1翻译的过程中，多个CD对应着多个stage1的地址翻译，通过Substream去确定对应的stage1地址翻译页表。
所以，Stage1地址翻译其实是一个（RequestID, PASID） => GPA的映射查找过程。
5.2 stage1+stage2的地址转换：在使能SMMU两阶段地址翻译的情况下，stage1负责将设备DMA请求发出的VA翻译为IPA并作为stage2的输入， stage2则利用stage1输出的IPA再次进行翻译得到PA，从而DMA请求正确地访问到Guest的要操作的地址空间上。
在stage2地址翻译阶段：STE里面包含了stage2地址翻译的页表基地址（IPA->HPA）和VMID信息。
如果多个设备被直通给同一个虚拟机，那么意味着他们共享同一个stage2地址翻译页表。
在两阶段地址翻译场景下， 地址转换流程步骤： Guest驱动发起DMA请求，这个DMA请求包含VA + SID前缀 DMA请求到达SMMU，SMMU提取DMA请求中的SID就知道这个请求是哪个设备发来的，然后去StreamTable索引对应的STE 从对应的STE表中查找到对应的CD，然后用ssid到CD中进行索引找到对应的S1 Page Table IOMMU进行S1 Page Table Walk，将VA翻译成IPA并作为S2的输入 IOMMU执行S2 Page Table Walk，将IPA翻译成PA，地址转化结束。
6. SMMU command queue 与 event queue系统软件通过Command Queue和Event Queue来和SMMU打交道，这2个Queue都是循环队列。
Command queue用于软件与SMMU的硬件交互，软件写命令到command queue, SMMU从command queue中 地区命令处理。
Event Queue用于SMMU发生软件配置错误的状态信息记录，SMMU将配置错误信息写到Event queue中，软件通过读取Event queue获得配置错误信息并进行配置错误处理。
7. 参考资料 虚拟化技术 - I/O虚拟化（一） IHI0070_System_Memory_Management_Unit_Arm_Architecture_Specification ARMv8 Virtualization Overview