4. IOMMU 与 SMMU 架构概览

在 Linux 内核的 DMA 映射体系中，IOMMU（Input/Output Memory Management Unit）是连接设备与主存之间的地址转换与保护单元。它让设备发出的 DMA 地址不再等同于物理地址，而是先经过一层“设备视角的虚拟地址”转换。ARM 体系中的 IOMMU 实现称为 SMMU（System Memory Management Unit），其架构与 x86 的 VT-d 类似，但在表结构、Stream 标识和 Stage 划分上有自己的规范。理解 SMMU 的 Stream Table、Context Descriptor 以及 Stage-1/Stage-2 两级转换，是后续配置设备 DMA 映射、排查 SMMU fault 的基础。

一、IOMMU 的核心作用

没有 IOMMU 时，设备驱动申请 DMA 缓冲区后，直接把物理地址写入设备寄存器，设备用该物理地址访问内存。这种方式简单，但存在三个明显问题：一是设备只能访问物理连续或经过散列/聚集（scatter-gather）描述的内存；二是设备可以访问任意物理地址，缺乏隔离；三是虚拟化场景下，Guest 的物理地址与 Host 物理地址不一致，设备无法直接使用。

IOMMU 引入后，设备发出的地址称为 IOVA（I/O Virtual Address），IOMMU 将其转换为物理地址（PA）。由此带来四项能力：

• 地址转换：把不连续的物理页映射为设备可见的连续 IOVA，简化驱动对缓冲区的管理。
• 内存保护：设备只能访问页表中已映射的区域，越界访问触发 fault，而不是静默破坏内存。
• 设备隔离：不同设备使用不同的页表，互不干扰，为容器、虚拟机提供隔离基础。
• 虚拟化支持：Stage-2 转换让 Guest 物理地址映射到 Host 物理地址，设备可直通给虚拟机。

二、SMMU 在 ARM 体系中的位置

在 ARM 架构中，SMMU 通常位于设备与内存控制器之间，或集成在互连（Interconnect）中。设备通过总线发起带 Stream ID 的访问请求，SMMU 根据 Stream ID 查找对应的转换表，完成地址转换后再访问内存。SMMU 的输入侧是设备事务，输出侧是内存事务，因此它既能看到设备的读写请求，也能对请求进行拦截和记录。

ARM SMMU 规范经历了多个版本：SMMUv1、SMMUv2 主要面向 Stage-1 转换；SMMUv3 重新设计了寄存器接口和命令队列，支持更高效的 Stage-1/Stage-2 组合，并引入 Stream Table、Context Descriptor、CD 表等结构。Linux 内核中分别对应 arm-smmu 与 arm-smmu-v3 驱动。

三、Stream Table 与 Context Descriptor

SMMU 收到设备请求时，首先根据请求携带的 Stream ID 在 Stream Table 中查找对应的 STE（Stream Table Entry）。Stream ID 通常由设备树或 ACPI 中的 iommus 属性描述，代表“哪个设备”或“哪个设备功能”。STE 中保存了该 Stream 的配置，包括是否启用 Stage-1、是否启用 Stage-2、以及指向 Context Descriptor 的指针。

Context Descriptor（CD）是 SMMUv3 中描述单个转换上下文的结构，主要字段包括：

一个 Stream ID 可以对应一个 CD，也可以多个 Stream ID 共享同一个 CD。共享 CD 意味着这些设备使用相同的地址空间，适合同一驱动管理的多个队列或功能。若 STE 中未启用 Stage-1，则设备地址直接进入 Stage-2；若两者都未启用，则 SMMU 处于 bypass 模式，设备地址直接作为物理地址使用。

四、Stage-1 与 Stage-2 转换

Stage-1 转换把设备发出的 IOVA 转换为 IPA（Intermediate Physical Address，中间物理地址）。在非虚拟化场景中，IPA 通常就等于 PA，因此 Stage-1 是主要的转换层。Stage-2 转换把 IPA 转换为 PA，主要用于虚拟化：Guest 操作系统认为自己在管理物理地址，实际上这些地址还要经过 Hypervisor 控制的 Stage-2 页表才能落到真实内存。

两级转换可以单独使用，也可以级联。级联时，SMMU 先查 Stage-1 页表得到 IPA，再查 Stage-2 页表得到 PA。Linux 内核中，iommu_map() 和 iommu_unmap() 负责维护这些页表；DMA API 如 dma_map_single() 在启用 IOMMU 时会调用 IOMMU 后端建立映射，返回设备可用的 DMA 地址。

# 查看系统中 SMMU 设备与 Stream ID 映射
ls /sys/bus/platform/devices/ | grep -i smmu
cat /sys/kernel/debug/iommu/arm-smmu-v3/streams

# 典型设备树片段：描述设备的 Stream ID
iommu@... {
    compatible = "arm,smmu-v3";
    #iommu-cells = <1>;
};

device@... {
    iommus = <&smmu 0x1234>;
};

五、常见误区与排查思路

排查 SMMU fault 时，应优先确认三件事：设备是否绑定了正确的 Stream ID；STE 是否指向了有效的 CD；CD 中的页表基址和转换模式是否与当前场景匹配。内核日志中通常会出现 arm-smmu-v3 相关的 fault 记录，包含 Stream ID、地址和 fault 类型，可据此定位是 Stage-1 还是 Stage-2 的问题。