1. SMMU 概述与硬件架构
各位同学，咱们今天聊聊 SMMU。这东西说白了，就是给 IO 设备用的 MMU。你想想看，CPU 有 MMU 管理虚拟内存，那 DMA、GPU、网卡这些家伙访问内存时谁来管？嗯，就是 SMMU。
我刚开始接触 SMMU 时，总觉得它就是个「翻版 MMU」。后来踩了几个坑才明白——它比 CPU MMU 复杂得多，尤其是在多级页表、事务拆分和缺页处理上。
1.1 SMMU 在 SoC 中的位置
先看一张图，你就知道 SMMU 长在 SoC 的哪个位置了。
从图上你能看到：CPU、GPU、网卡这些家伙都连到 SMMU，SMMU 再统一连到内存控制器。我做过一个项目，网卡 DMA 直接写内存导致系统崩溃，查了两天才发现是 SMMU 没配好——设备地址没做翻译，直接写到了物理地址的保留区域。
1.2 主要功能模块
SMMU 内部有三个核心模块：TLB、TCU 和微页表。咱们一个一个说。
1.2.1 TLB（Translation Lookaside Buffer）
TLB 就是地址翻译的缓存。说白了，它存着最近用过的页表项。设备每次 DMA 访问，SMMU 先查 TLB——命中就直接拿物理地址，不命中才去查页表。
我个人习惯把 TLB 分成两级：
- L1 TLB：容量小（通常 32~64 项），但访问速度极快（1~2 个时钟周期）
- L2 TLB：容量大（512~1024 项），速度稍慢（5~10 个时钟周期）
我在项目中遇到过一个问题：GPU 频繁切换上下文，每次切换都刷 TLB，导致性能暴跌。后来我们给每个 context bank 配了独立的 TLB 分区，才把性能拉回来。
1.2.2 TCU（Translation Control Unit）
TCU 是 SMMU 的大脑。它负责：
- 管理页表基地址（每个设备或每个 context bank 一个）
- 控制翻译模式（1 级页表、2 级页表还是 3 级页表）
- 处理缺页异常（page fault）
- 管理缓存一致性协议
嗯，这里要注意：TCU 的配置寄存器非常多，而且不同厂商的寄存器布局差异很大。我建议你拿到芯片手册后，先把 TCU 的寄存器地图画出来，不然调试时很容易找错位。
1.2.3 微页表（Micro Page Table）
微页表是 SMMU 特有的东西。CPU MMU 的页表是软件维护的，但 SMMU 的微页表是硬件自动维护的——它只缓存最近使用的页表项，而且粒度更细。
| 特性 | CPU MMU 页表 | SMMU 微页表 |
|---|---|---|
| 维护方式 | 软件（OS 内核） | 硬件自动 |
| 页表粒度 | 4KB / 2MB / 1GB | 4KB / 64KB / 2MB |
| 缓存位置 | CPU 内部 | SMMU 内部 |
| 缺页处理 | 缺页中断 → 内核处理 | 缺页异常 → 固件或软件处理 |
| 上下文切换 | CR3 寄存器切换 | Context Bank 切换 |
1.3 与 CPU MMU 的异同
很多同学问我：SMMU 和 CPU MMU 到底有啥区别？我一般用三个维度来对比。
1.3.1 相同点
- 地址翻译流程一样：虚拟地址 → 页表遍历 → 物理地址
- 都有 TLB：缓存最近使用的页表项
- 都支持多级页表：ARM 架构下都支持 3 级或 4 级页表
- 都支持权限控制：读/写/执行权限检查
1.3.2 不同点
差异其实挺大的，我列个表你就清楚了。
| 维度 | CPU MMU | SMMU |
|---|---|---|
| 服务对象 | CPU 核心（指令/数据访问） | IO 设备（DMA 访问） |
| 事务类型 | 单次读写（cacheline 粒度） | 突发传输（burst，可达 64 字节甚至更大） |
| 缺页处理 | 同步缺页（CPU 立即阻塞） | 异步缺页（设备可能重试或报错） |
| 上下文数量 | 通常 1 个（当前进程） | 多个（每个设备或每个 context bank） |
| 缓存一致性 | CPU 内部维护 | 需要与 CPU 缓存做一致性协议 |
| 页表共享 | 进程独立页表 | 多个设备可共享同一页表 |
1.3.3 关键差异详解
事务类型差异：CPU 访问内存通常是 64 字节的 cacheline，但设备 DMA 经常是几百字节甚至几 MB 的突发传输。这意味着 SMMU 的 TLB 必须能处理大范围连续地址的翻译——否则一次 DMA 就要查几十次 TLB，性能直接崩了。
缺页处理差异：CPU 缺页时，内核可以立即调度其他进程。但设备缺页时，设备可能正在做实时数据流——你不能让它等太久。我遇到过视频编解码设备因为 SMMU 缺页处理太慢，导致画面卡顿。后来我们给这个设备配了预取机制，提前把页表项加载到 TLB 里。
上下文数量差异：CPU 一次只能跑一个进程，但 SMMU 可能要同时服务十几个设备。每个设备都有自己的页表。所以 SMMU 的 Context Bank 数量很关键——少了不够用，多了浪费硬件资源。
好了，这一章的内容就到这儿。记住这张架构图，后面咱们讲 TLB 缺失处理和微页表配置时，你会反复用到它。