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SMMUv3新增了命令和事件队列#xff08;Command and Event queues#xff09;#xff0c;可选的PRI队列#xff0c;用于和软件进行交互。软件将要执行的命令提交到命令队列#xff0c;比如预取配置、Invalidate STE命令等#xff0c;SMMU从命令队列取出命令并执行…1.简介
SMMUv3新增了命令和事件队列Command and Event queues可选的PRI队列用于和软件进行交互。软件将要执行的命令提交到命令队列比如预取配置、Invalidate STE命令等SMMU从命令队列取出命令并执行。当命令不正确或配置出错等错误发生时SMMU将会将这些事件写入到事件队列软件从事件队列取出事件进行处理。PRI队列用于接收PCIe page requests。
2.循环队列
命令和事件队列基于循环队列circular queues。循环队列是基于内存的生产者和消费者循环FIFO。生产者向FIFO中写入任务消费者从FIFO中读取1任务生产者的位置由PROD指针确定表示下一个可以写入的位置消费者的位置由CONS指针确定表示下一个可以读取的位置PROD指针和CONS指针保存在寄存器中。对于命令队列CPU为生产者SMMU为消费者。对于事件队列SMMU为生产者CPU为消费者。循环队列生命周期如下图所示当队列指针从队列尾跳到队列头时wrap值会变化。
PROD.WR CONS.RD and PROD.WR_WRAP CONS.RD_WRAP此时队列空。PROD.WR CONS.RD and PROD.WR_WRAP CONS.RD_WRAP生产者写入任务。PROD.WR CONS.RD and PROD.WR_WRAP CONS.RD_WRAP消费者读取任务此时队列空。PROD.WR CONS.RD and PROD.WR_WRAP ! CONS.RD_WRAP生产者写入任务PROD指针跳到了队列头。PROD.WR CONS.RD and PROD.WR_WRAP ! CONS.RD_WRAP生产者继续写入任务此时队列满。PROD.WR CONS.RD and PROD.WR_WRAP CONS.RD_WRAP消费者读取任务CONS指针跳到了队列头。PROD.WR CONS.RD and PROD.WR_WRAP CONS.RD_WRAP消费者继续读取任务此时队列空。 3.命令
CPU将命令Command写入命令队列SMMU从命令队列中取出命令执行。命令队列中每个元素都为16字节采用小端字节序开始的8位表示命令操作码。SMMU总共定义了6种命令分别为Prefetch、Configuration structure invalidation、TLB invalidation、ATS and PRI、DPT maintenance、Fault response and synchronization commands具体的作用如下。
Prefetch将STE和CD等数据结构预取到Cache中可以提高地址转换速度。TLB invalidation维护TLB数据一致性。ATS and PRI用于处理PCIe设备DMA地址转换。DPT maintenance主要用于维护页表结构的完整性和一致性尤其是在多核系统或动态内存管理场景中。Fault response and synchronization commands用于处理Fault和同步命令。 下面只介绍常用的几个其他的参考SMMU Spec。
3.1.Prefetch
Prefetch命令可以让SMMU预取和stream相关的配置和地址转换数据。
3.1.1.CMD_PREFETCH_CONFIG
预取来自给定StreamID以及当SSV 1时的SubstreamID流量所需的任何STE和CD配置结构。 3.1.2.CMD_PREFETCH_ADDR
预取给定地址范围内的任何STE和CD配置结构及TLB项。 3.2.Configuration structure invalidation
当软件修改某些配置结构Stream table、CD table后需要向SMMU发送命令确保invalidates缓存这些结构的Cache。
3.2.1.CMD_CFGI_STE
invalidates StreamID关联的STE Cache。
3.2.2.CMD_CFGI_STE_RANGE
invalidates StreamID关联的多个STE CacheStart (StreamID ~(2^(Range1) - 1)。 End Start 2^(Range1) - 1。
3.2.3.CMD_CFGI_CD
invalidates StreamID和SubstreamID关联的一个CD Cache。该命令在改变TTBRx/ASID或者试能TBI时使用。 3.2.4.CMD_CFGI_CD_ALL
invalidates StreamID关联的所有CD Cache。
3.3.Fault response and synchronization commands
当错误发生时CPU需要向SMMU发送Fault response以处理错误。CPU提交的命令SMMU是异步执行的因此CPU需要提交synchronization command命令获取命令执行结果。
3.3.1.CMD_RESUME
使用StreamID和STAG参数唤醒处于stalled状态的事务。StreamID用于索引事务STAG参数定义事务唤醒后的行为。 Action (Ac)Result1事务将被重试Retry其行为与第一次执行时时相同。系统会重新查询配置和地址转换。此后该事务可能继续正常执行也可能再次触发错误Fault。0事务将以Abort parameterAb参数定义的方式终止Terminate。当Ab0时事务以RAZ/WIRead-As-Zero/Write-Ignored语义成功完成。当Ab1时系统会向客户端报告中止/总线错误abort/bus error。当SMMU_IDR0.TERM_MODEL 1Ab参数将被忽略事务以abort终止。Ab参数和CD.Anon-stalled terminated transactions的配置类似。
3.3.2.CMD_SYNC
CMD_SYNC提供了以下的同步机制
与CMD_SYNC提交至同一命令队列的前序命令类似于内存屏障指令。当CMD_SYNC执行完成同一队列CMD_SYNC的前序命令必须执行完成。在CMD_SYNC之前终止的客户端事务所对应事件记录的可观测性。由地址转换完成引起的HTTU更新。 当CMD_SYNC执行完成后会产生一个完成信号ComplSignal信号可以是中断可以采用MSI形式也可以是WFE唤醒事件。完成信号的机制由参数CS决定具体如下
CSResult0b00SIG_NONE。CMD_SYNC执行完成后不会有任何行为MSIAddress、MSIData、MSIWriteAttributes参数被忽略。0b01SIG_IRQ。CMD_SYNC执行完成后会产生中断。如果支持MSI将会把MSIData写到MSIAddress物理地址中触发MSI中断通知PE CMD_SYNC执行完成。如果MSIAddress非0内存属性由MSIAttr决定。若不支持MSI则MSIData、MSIAddress会被忽略。0b10SIG_SEV。CMD_SYNC执行完成后会给PE发送类似于SEV的事件。当SMMU_IDR0.SEV1时SIG_SEV才有效否则效果和SIG_NONE一样。此时CPU通过轮询SMMU_CMDQ_CONS.RD判断CMD_SYNC执行是否完成每次轮询之间使用WFE命令等待SEV事件。0b11Reserved。将会引发CERROR_ILL错误。
4.事件
SMMU将事件Event写入事件队列CPU从事件队列中取出事件处理。每个Event占用32字节。所有Event以小端字节序保存在Event队列中。SMMU定义了19种标准事件Event number范围为0x1-0x13、0x20-0x21、0x24-0x25用户也可以自定义事件Event number范围为0xE0-0xEF。这些Event有一些公共的字段具体如下表所示。
Common FieldsReasonStreamID触发Event对应的StreamID。RnW触发Event的事务读写属性。0:写1:读。PnUPrivileged/Unprivileged。0:Unprivileged1:Privileged。InD触发Event的访问类型是指令访问还是数据访问。0:Data1:Instruction。InputAddr输入到SMMU触发Event的地址。根据场景和Event number此字段可能被解释为VA、IPA或PA比如在地址转换第一阶段触发F_TRANSLATIONInputAddr是VA。SSVSubstreamID是否有效标志。0:invalid1:valid。SubstreamID触发Event对应的SubstreamID只有SSV1时有效。S2触发Event的地址转换阶段。0:Stage 1 fault occurred1:Stage 2 fault occurred。CLASS触发Event的操作的类别。0b00: CD, CD fetch.0b01: TTD, Stage 1 translation table fetch.0b10: IN, Input address caused fault.0b11: Reserved.NSIPANon-secure IPA。区分访问安全还是非安全IPA空间触发的Event。GPCF页表权限校验Fault。0: 由外部错误触发的Fault不是页表权限触发。1: 由页表权限触发的Fault。
在Linux内核中只处理和地址转换相关的F_TRANSLATION、F_ADDR_SIZE、F_ACCESS、F_PERMISSION四种Event下面也只介绍这4种Event。
4.1.F_TRANSLATION
F_TRANSLATION错误表示访问地址在某一级地址转换阶段未通过由TxSZ/SLx定义的范围检查或者地址位于一个已禁用的TTBx范围内又或者未能为该地址找到有效的转换表描述符。 4.2.F_ADDR_SIZE
在某一级地址转换阶段输出的地址超出了该阶段的有效地址空间范围由 xPS 定义从而触发的错误。具体触发条件如下
转换过程中地址越界 - 当某级转换Stage1或Stage2解析中间页表和最后一级页表描述符时若输出的地址超出了该转换表关联的有效物理地址空间xPS由CD.IPS或STE.S2PS定义则触发此错误。 - 注意如果TTB本身超出范围在转换表遍历开始前则不会触发此错误而是会直接导致 C_BAD_CD配置描述符无效或 C_BAD_STESTE 无效。Stage 1 旁路转换时的地址越界 - 如果Stage 1 bypass则输出地址 输入地址。若该地址超出了硬件支持的地址范围也会触发此错误。 4.3.F_ACCESS
页或块描述符中AF 0导致的访问标志错误。如果支持并启用了HTTU则将带有AF 0的描述符修改为AF 1且不会上报该错误。 4.4. F_PERMISSION
页表访问权限错误。 参考资料
Arm ® System Memory Management Unit Architecture Specification version 3.Linux Kernel 6.12.31 Source Code.
