入出力メモリ管理ユニット

コンピューティングにおいて、入出力メモリ管理ユニット( IOMMU ) は、直接メモリ アクセス対応 (DMA 対応) I/Oバスをメイン メモリに接続するメモリ管理ユニット(MMU) です。CPUが認識できる仮想アドレスを物理アドレスに変換する従来の MMU と同様に、IOMMU はデバイスが認識できる仮想アドレス (このコンテキストではデバイス アドレスまたはメモリ マップI/O アドレスとも呼ばれます) を物理アドレスにマップします。一部のユニットは、障害のあるデバイスや悪意のあるデバイスから メモリを保護する機能も備えています。

IOMMU の例としては、Intel アーキテクチャおよび AMD コンピューターの AGPおよびPCI Expressグラフィックス カードで使用されるグラフィックス アドレス再マッピング テーブル(GART)があります。

x86アーキテクチャでは、ノースブリッジとサウスブリッジの機能をCPUとプラットフォームコントローラハブ（PCH）に分割する前は、I/O仮想化はCPUではなくチップセットによって実行されていました。^{[1] [2]}

メモリの直接物理アドレス指定 (DMA) と比較して、IOMMU を使用する利点は次のとおりです^{[引用が必要]} :

• 物理メモリ内で連続している必要なしに、大きなメモリ領域を割り当てることができます。IOMMU は、連続した仮想アドレスを、基礎となる断片化された物理アドレスにマッピングします。そのため、ベクトル化 I/O (スキャッターギャザーリスト) の使用を回避できる場合があります。
• 物理メモリ全体をアドレス指定するのに十分な長さのメモリ アドレスをサポートしていないデバイスでも、IOMMU を介してメモリ全体をアドレス指定できるため、周辺機器のアドレス指定可能なメモリ空間との間でバッファをコピーすることに関連するオーバーヘッドを回避できます。
  • たとえば、x86 コンピュータは、 x86 プロセッサの物理アドレス拡張(PAE) 機能を使用して 4 ギガバイトを超えるメモリをアドレス指定できます。ただし、通常の 32 ビット PCI デバイスは 4 GiB 境界を超えるメモリをアドレス指定できないため、直接アクセスすることはできません。IOMMU がなければ、オペレーティング システムは時間のかかるバウンス バッファ(ダブル バッファとも呼ばれます^[3] ) を実装する必要があります。
• メモリは、 DMA 攻撃を試みる悪意のあるデバイスや、誤ったメモリ転送を試みる欠陥のあるデバイスから保護されます。これは、デバイスが明示的に割り当て (マップ) されていないメモリを読み書きできないためです。メモリ保護は、CPU 上で実行されている OS (図を参照) が MMU と IOMMU の両方を排他的に制御するという事実に基づいています。デバイスは、構成されたメモリ管理テーブルを物理的に回避したり破損したりすることはできません。
  • 仮想化では、ゲストオペレーティング システムは仮想化専用ではないハードウェアを使用できます。グラフィック カードなどの高性能ハードウェアは、DMA を使用してメモリに直接アクセスします。仮想環境では、すべてのメモリ アドレスが仮想マシン ソフトウェアによって再マップされるため、DMA デバイスが機能しなくなります。IOMMU はこの再マップを処理し、ネイティブ デバイス ドライバーをゲスト オペレーティング システムで使用できるようにします。
• 一部のアーキテクチャでは、IOMMU は標準のメモリ アドレス再マッピングと同様の方法で、ハードウェア割り込み再マッピングも実行します。
• 周辺メモリのページングは​​、IOMMU によってサポートされます。PCI-SIG PCIe アドレス変換サービス (ATS) ページ要求インターフェイス (PRI) 拡張を使用する周辺機器は、メモリ マネージャー サービスの必要性を検出し、通知することができます。

ポート I/O がメモリ アドレス空間とは異なるアドレス空間であるシステム アーキテクチャの場合、CPU がI/O ポートを介してデバイスと通信するときに IOMMU は使用されません。ポート I/O とメモリが適切なアドレス空間にマップされているシステム アーキテクチャでは、IOMMU はポート I/O アクセスを変換できます。

IOMMUを使用することで、メモリを直接物理アドレス指定する場合と比べて次のようなデメリットがあります。^[4]

• 変換と管理のオーバーヘッド (ページ テーブル ウォークなど) により、パフォーマンスが若干低下します。
• 追加された I/Oページ (変換) テーブル用の物理メモリの消費。テーブルをプロセッサと共有できる場合は、これを軽減できます。
• ページ テーブルのサイズを小さくするために、多くの IOMMU の粒度はメモリ ページング (多くの場合 4096 バイト) と等しくなります。そのため、DMA 攻撃に対する保護が必要な小さなバッファはそれぞれ、デバイスに表示される前にページ アラインメントされ、ゼロにする必要があります。OS のメモリ割り当てが複雑なため、デバイス ドライバは機密データ構造にバウンス バッファを使用する必要があり、全体的なパフォーマンスが低下します。

仮想マシン( XenやKVMなどの準仮想化を使用するシステムを含む)内でオペレーティング システムが実行されている場合、オペレーティング システムは通常、アクセスするメモリのホスト物理アドレスを認識しません。これにより、コンピューター ハードウェアへの直接アクセスを提供することが困難になります。ゲスト OS がハードウェアにゲスト物理アドレスを使用して直接メモリ アクセス(DMA) を実行するように指示しようとすると、ハードウェアは特定の仮想マシンのゲスト物理アドレスとホスト物理アドレス間のマッピングを認識していないため、メモリが破損する可能性があるためです。ハイパーバイザーまたはホスト OS が I/O 操作に介入して変換を適用すれば、破損を回避できます。ただし、この方法では I/O 操作に遅延が発生します。

IOMMUは、ゲスト物理アドレスをホスト物理アドレスにマッピングするために使用されるのと同じ（または互換性のある）変換テーブルに従って、ハードウェアによってアクセスされるアドレスを再マッピングすることでこの問題を解決します。^[5]

• AMDはAMD-Viと呼ばれるIOMMU技術の仕様を公開した。^{[6] [7]}
• IBMは43xxラインで拡張制御プログラムサポート：仮想記憶拡張（ECPS：VSE）モード^[8]を提供し、チャネルプログラムは仮想アドレスを使用しました。
• IntelはIOMMU技術の仕様をVirtualization Technology for Directed I/O（略称VT-d）として公開している。^[9]
• Sun IOMMUに関する情報は、Solaris Developer Connectionのデバイス仮想メモリアクセス（DVMA）セクションで公開されています。^[10]
• IBM変換制御エントリ（TCE）については、「IBM eServer pSeries 690の論理パーティションセキュリティ」という文書で説明されています。^[11]
• PCI -SIGは、シングルルートI/O仮想化（SR-IOV）とアドレス変換サービス（ATS）という用語で関連する作業を行っています。これらは以前は別々の仕様でカバーされていましたが、PCI Express 5.0以降はPCI Express基本仕様に移動されました。^[12]
• ARMは、仮想化アーキテクチャを補完するために、IOMMUのバージョンをシステムメモリ管理ユニット（SMMU）^{[13]として定義しています。 [14]}

• 異種システムアーキテクチャ(HSA)
• IOMMU をサポートするハードウェアのリスト
• メモリマップI/O
• メモリ保護

• Bottomley, James (2004-05-01). 「DMA の使用」。Linux Journal (121). Specialized System Consultants。2006-07-15にオリジナルからアーカイブ。2006-08-09に取得。
• DMA および IOMMU API の習得、Embedded Linux Conference 2014、サンノゼ、Laurent Pinchart 著