輸入輸出主記憶體管理單元

在電腦領域，輸入輸出主記憶體管理單元（英語：input–output memory management unit，縮寫IOMMU）是一種主記憶體管理單元（MMU），它將具有直接記憶體存取能力（可以DMA）的I/O匯流排連接至主主記憶體。如傳統的MMU（將CPU可見的虛擬位址轉換為實體位址）一樣，IOMMU將裝置可見的虛擬位址（在此上下文中也稱裝置位址或I/O位址）對映到實體位址。部分單元還提供主記憶體保護功能，防止故障或惡意的裝置。

輸入輸出主記憶體管理單元（IOMMU）與主記憶體管理單元（MMU）的比較。

IOMMU的一個例子是Intel架構和AMD電腦上使用的AGP和PCI Express顯示卡所使用的圖形位址對映表（英語：Graphics address remapping table）（GART）。

在x86架構將CPU與平台路徑控制器（PCH）的北橋和南橋拆分前，I/O虛擬化不是由CPU而是由晶片組執行。^[1][2]

優點

與主記憶體的直接物理定址相比，擁有IOMMU的優勢包括^{[來源請求]}：

• 分配大容量主記憶體區域可以不需連續的實體記憶體——IOMMU可將連續的虛擬位址對映到底層中分段的實體位址。因此，有時可以避免使用向量化I/O（英語：Vectored I/O）（分散-集中（英語：Scatter-gather）列表）。
• 不支援定址整個實體記憶體長度的裝置仍可通過IOMMU訪問整個主記憶體，避免了與外圍裝置的可定址主記憶體空間複製緩衝區有關的開銷。
  • 例如，x86電腦可以用x86處理器中的實體位址擴充（PAE）功能訪問超過4GB的主記憶體。但是，普通的32位元PCI裝置根本無法訪問4Gib範圍外的主記憶體，並且因此它不能直接訪問。如果沒有IOMMU，作業系統將不得不實現耗時的反彈緩衝區（英語：Bounce buffer）（也稱雙緩衝區（英語：Double buffer）^[3]。）
• 主記憶體得到保護，嘗試進行DMA攻擊的惡意裝置或嘗試傳輸錯誤主記憶體的故障裝置無權讀寫非明確分配（對映）的主記憶體。主記憶體保護基於一項事實，CPU上執行的作業系統（見圖例）專門控制MMU和IOMMU。裝置本身無法繞過或損壞已組態的主記憶體管理表。
  • 在虛擬化（英語：Hardware-assisted virtualization）中，客戶機作業系統可以使用非專為虛擬化設計的硬體。諸如使用DMA直接訪問主記憶體的顯示卡等硬體會有更高效能。在虛擬環境中，所有主記憶體位址都會被虛擬機器軟體重對映，從而導致DMA裝置遇到故障。IOMMU則處理這種重對映，允許在客戶機作業系統中使用原生的裝置驅動程式。
• 在某些架構中，IOMMU也執行硬體中斷重對映，工作方式類似標準主記憶體位址重對映。
• 外設主記憶體分頁可由IOMMU支援。使用PCI-SIG PCIe位址轉換服務（ATS）分頁請求介面（PRI）擴充的外設可以檢測和表示需要主記憶體管理服務。

對於埠I/O的位址空間與主記憶體的主記憶體位址空間不同的系統架構，CPU與裝置通過I/O埠通訊時不使用。如果埠I/O與主記憶體的位址空間被對映到一個合適的空間，則可以用IOMMU轉換I/O訪問。

缺點

與主記憶體的直接物理定址相比，IOMMU的缺點包括：^[4]

• 效能因翻譯和管理開銷（例如頁表變動）有所下降。
• 增加的I/O分頁表（轉換表）消耗一些實體記憶體。如果該表可與處理器共享，則此問題可以緩解。

虛擬化

當作業系統在虛擬機器內執行時（包括使用半虛擬化（英語：Paravirtualization）的系統，例如Xen），其通常不知道它要訪問的主記憶體的主機實體位址。這使其難以直接訪問電腦硬體，因為如果客戶機系統嘗試用客戶機的實體位址進行直接記憶體存取（DMA）來吩咐硬體，其可能損壞主記憶體資料，因為硬體不知道給定虛擬機器客戶機實體位址與主機實體位址之間的對映關係。而由管理程式或主機作業系統介入I/O操作來應用翻譯則可以避免損壞，但會增加此I/O操作的延遲。

IOMMU可以依靠將客戶機實體位址對映到主機實體位址的相同或相容轉換表重對映硬體訪問位址，從而解決延遲問題。^[5]

Intel和AMD的IOMMU虛擬化需要晶片組和CPU支援IOMMU虛擬化。Intel的IOMMU虛擬化稱為VT-d。

已公布規範

• AMD已出版一份IOMMU技術規範。^[6][7]
• 英特爾已出版一份針對虛擬化技術直接I/O的IOMMU技術規範，簡稱為VT-d。^[8]
• 有關昇陽電腦（Sun）IOMMU的資訊已在Solaris Developer Connection的裝置虛擬記憶體訪問（DVMA）部分發布。^[9]
• IBM Translation Control Entry（英語：Translation Control Entry） (TCE) 在eServer（英語：eServer） pSeries（英語：pSeries） 690中標題為「邏輯分割區安全」的文件中進行了描述。^[10]
• PCI-SIG對I/O虛擬化（IOV）^[11]和位址轉換服務（ATS）有相關工作。
• ARM將其IOMMU版本定義為系統主記憶體管理單元（SMMU）^[12]，以補充其虛擬化架構。^[13]

參見

• 異構系統架構（英語：Heterogeneous System Architecture）（HSA）
• IOMMU支援的硬體列表（英語：List of IOMMU-supporting hardware）
• 記憶體對映輸入輸出
• 記憶體保護