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、ダイレクトメモリアクセス（DMA）対応の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から見え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はデバイスから見える仮想アドレス（この文脈ではデバイスアドレスまたはメモリマップドI/Oアドレスとも呼ばれます）を物理アドレスにマッピングします。一部のユニットは、故障した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提供します。

IOMMUの一例として、IntelアーキテクチャおよびAMDコンピュータ上のAGPおよびPCI Expressグラフィックカードで使用されるグラフィックアドレス再マッピングテーブル（GART）が挙げられる。

x86アーキテクチャでは、 CPUとプラットフォームコントローラハブ（PCH）の間でノースブリッジとサウスブリッジの機能を分割する前は、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 ]}

IOMMUを使用することの利点は、メモリへの直接的な物理アドレス指定（DMA）と比較して、以下のとおりです。

• 物理メモリ上で連続している必要はなく、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、基盤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、場合によってはベクタI/O（スキャッターギャザーリスト）の使用を回避できます。 
• 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際に伴うオーバーヘッドを回避できます。
  • 例えば、x86コンピュータは、 x86プロセッサの物理アドレス拡張（PAE）機能により、4ギガバイトを超えるメモリをアドレス指定できます。しかし、通常の32ビットPCIデバイスは、4GiB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がない場合、オペレーティングシステムはダブルバッファリングを実装する必要があります。^{[ 3 ]}
• 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ています。これは、デバイスが明示的に割り当て（マッピング）されていないメモリに対して読み書きできないためです。このメモリ保護は、CPU上で動作するOS（図参照）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、構成済みのメモリ管理テーブルを物理的に回避したり、破損させたりすることはできません。
  • 仮想化環境では、ゲストオペレーティングシステムは、仮想化専用に設計されてい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が、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ピングされるため、DMAデバイスが動作しなくなります。IOMMUはこの再マッピングを処理し、ゲストオペレーティングシステムでネイティブデバイスドライバを使用できるようにします。
• 一部のアーキテクチャでは、IOMMUは標準的なメモリアドレスの再マッピングと同様の方法で、ハードウェア割り込みの再マッピングも実行します。
• 周辺機器のメモリページングは​​、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ース（PRI）拡張機能を使用する周辺機器は、メモリマネージャサービスの必要性を検出し、その旨を通知できます。

ポートI/Oがメモリのアドレス空間とは別のアドレス空間であるシステムアーキテクチャでは、CPUがI/Oポートを介してデバイスと通信する際に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ピングされ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 を持つことの、メモリへの直接的な物理的アドレッシングと比較した場合の欠点には、次のものがあります。^{[ 4 ]}

• 翻訳や管理オーバーヘッド（例：ページテーブル走査）によるパフォーマンスの低下が若干発生する。
• 追加されたI/Oページ（変換）テーブルのための物理メモリの消費。これらのテーブルをプロセッサと共有できれば、この問題は軽減できます。
• 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）と同じになっています。そのため、DMA攻撃から保護する必要のある小さなバッファは、デバイスに表示する前にページアラインメントしてゼロクリアする必要があります。OSのメモリ割り当ての複雑さから、デバイスドライバは機密性の高いデータ構造にバウンスバッファを使用する必要があり、結果として全体的なパフォーマンスが低下します。

XenやKVMなどの準仮想化システムを含む仮想マシン内でオペレーティングシステムが動作している場合、通常、アクセスするメモリのホスト物理アドレスは認識されません。そのため、ゲストOSがハードウェアに対して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におけるゲスト物理アドレスとホスト物理アドレス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高く、コンピュータハードウェアへの直接アクセスが困難になります。ハイパーバイザまたはホストOSがI/O操作に介入して変換を適用すれば、破損は回避できます。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ものと同じ（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テクノロジーの仕様を公開しました。^{[ 6 ] [ 7 ]}
• IBMは43xxシリーズで拡張制御プログラムサポート：仮想ストレージ拡張（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テクノロジーの仕様を、VT-dと略されるVirtualization Technology for Directed I/Oとして公開している。^{[ 9 ]}
• Sun IOMMUに関する情報は、Solaris Developer ConnectionのDevice Virtual Memory Access (DVMA)セクションに掲載されています。^{[ 10 ]}
• IBM翻訳制御エントリ（TCE）については、「IBM eServer pSeries 690における論理パーティションセキュリティ」というタイトルの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) および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 基本仕様に移行されました。^{[ 12 ]}
• ARMは、仮想化アーキテクチャを補完するために、 IOMMUの独自のバージョンをシステムメモリ管理ユニット（SMMU）^{[ 13 ]}と定義しています。^{[ 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
• メモリマップドI/O
• メモリ保護

• Bottomley, James (2004-05-01). "Using DMA" . Linux Journal (121). Specialized System Consultants . 2006-07-15 のオリジナルからアーカイブ済み。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