3. SMMU编程模型：寄存器空间、命令队列、事件队列、PRI队列

SMMU的编程模型是系统软件与硬件交互的核心接口。理解其寄存器空间布局、队列机制以及中断处理流程，是进行SMMU初始化和动态管理的基础。本章将深入剖析SMMU的四大编程要素：寄存器空间、命令队列（Command Queue）、事件队列（Event Queue）和PRI队列（Page Request Interface Queue）。

3.1 SMMU寄存器空间

SMMU的寄存器空间分为全局寄存器（Global Registers）和上下文寄存器（Context Registers）两大部分。全局寄存器控制SMMU的整体行为，而上下文寄存器则管理具体的Stream Table Entry（STE）和配置。

3.2 命令队列（Command Queue）

命令队列是软件向SMMU下发控制指令的通道。它是一个环形缓冲区（Ring Buffer），由软件（生产者）写入命令，SMMU硬件（消费者）读取并执行。常见的命令包括：TLBI（TLB无效化）、SYNC（同步屏障）、PREFETCH（预取）等。

命令队列操作流程

1. 初始化： 设置SMMU_CMDQ_BASE寄存器，指定队列基址和大小。
2. 写入命令： 软件将命令写入队列的当前生产者指针位置。
3. 更新生产者指针： 写入SMMU_CMDQ_PROD寄存器，通知硬件有新命令。
4. 硬件消费： SMMU读取命令并执行，更新消费者指针SMMU_CMDQ_CONS。
5. 同步等待： 软件通过发送SYNC命令并轮询消费者指针，确保之前命令执行完毕。

// 命令字格式（128位）
// Word 0: [31:0] 命令类型 & 标志位
// Word 1: [31:0] StreamID
// Word 2: [31:0] SubstreamID
// Word 3: [31:0] 保留

// 示例：发送TLBI_ASID命令
#define CMD_TLBI_ASID      0x3
#define CMD_TLBI_ASID_ASID 0x1

void smmu_send_tlbi_asid(uint32_t asid) {
    uint64_t cmd[2] = {0};
    cmd[0] = CMD_TLBI_ASID | (asid << 12);
    // 写入命令队列并更新PROD指针
    writeq(cmd[0], cmq_base + prod_offset);
    writeq(cmd[1], cmq_base + prod_offset + 8);
    writel(prod + 2, smmu_base + SMMU_CMDQ_PROD);
}

3.3 事件队列（Event Queue）

事件队列是SMMU向软件报告错误、异常或状态信息的通道。当SMMU检测到配置错误、地址翻译错误（如F_TRANSLATION）、权限错误（如F_PERMISSION）时，会将事件记录写入事件队列，并可选地触发中断。

常见事件类型

• F_TRANSLATION： 地址翻译失败，通常由无效的STE或CD表引起。
• F_PERMISSION： 访问权限冲突，如写只读页面。
• F_ACCESS： 访问了标记为不可访问的页面。
• F_ADDR_SIZE： 输入地址超出了配置的地址空间范围。
• C_BAD_STREAMID： 无效的StreamID。

3.4 PRI队列（Page Request Interface Queue）

PRI队列是SMMUv3引入的用于支持PCIe PRI（Page Request Interface）协议的通道。当设备访问的页面不在内存中（或未被映射）时，SMMU可以通过PRI队列向软件发送页面请求，软件响应后分配物理页面并更新页表，然后通过命令队列发送响应。

PRI队列工作流程

// CMD_PRI_RESP 命令结构
// Word 0: [31:0] 命令类型 (0x4)
// Word 1: [31:0] StreamID
// Word 2: [31:0] SubstreamID
// Word 3: [31:0] 页面请求组ID & 响应状态

// 示例：响应PRI请求，允许访问
void smmu_pri_response(uint32_t sid, uint32_t ssid, uint32_t prg_id) {
    uint64_t cmd[2] = {0};
    cmd[0] = (0x4) | (sid << 32);
    cmd[1] = (ssid << 32) | (prg_id & 0xFFFF) | (0x1 << 16); // 状态=成功
    // 写入命令队列
    writeq(cmd[0], cmq_base + prod_offset);
    writeq(cmd[1], cmq_base + prod_offset + 8);
    writel(prod + 2, smmu_base + SMMU_CMDQ_PROD);
}

3.5 队列管理与中断机制

SMMU的每个队列（命令、事件、PRI）都支持独立的中断配置。通过SMMU_IRQ_CTRL寄存器可以控制每个队列的中断使能，而SMMU_IRQ_STATUS寄存器则用于查询中断状态。

中断处理最佳实践

• 命令队列： 通常使用轮询模式（SYNC命令后轮询CONS指针），避免中断开销。
• 事件队列： 必须使能中断，以便及时捕获错误。
• PRI队列： 建议使能中断，确保低延迟响应设备缺页请求。
• 中断亲和性： 将SMMU中断绑定到特定CPU核心，避免中断风暴。