Блок управления памятью ввода-вывода

В вычислительной технике блок управления памятью ввода-вывода ( IOMMU ) представляет собой блок управления памятью (MMU), соединяющий ввода-вывода с прямым доступом к памяти (с поддержкой DMA) шину к основной памяти . Подобно традиционному MMU, который преобразует процессором, видимые виртуальные адреса, в физические адреса , IOMMU сопоставляет видимые устройству виртуальные адреса ( также называемые адресами устройств или отображаемыми в памяти адресами ввода-вывода, в этом контексте ) с физическими адресами. Некоторые устройства также обеспечивают защиту памяти от неисправных или вредоносных устройств.

Примером IOMMU является таблица переназначения графических адресов (GART), используемая видеокартами AGP и PCI Express на компьютерах с архитектурой Intel и AMD.

В архитектуре x86 до разделения функций северного и южного мостов между ЦП и контроллером платформы (PCH) виртуализация ввода-вывода выполнялась не ЦП, а набором микросхем . ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}

Преимущества

Преимущества наличия IOMMU по сравнению с прямой физической адресацией памяти (DMA) включают в себя: ^{[ нужна ссылка ]}:

Большие области памяти могут быть выделены без необходимости быть непрерывными в физической памяти — IOMMU сопоставляет смежные виртуальные адреса с базовыми фрагментированными физическими адресами. использования векторного ввода-вывода ( списков сбора и разброса ). Таким образом, иногда можно избежать
Устройства, которые не поддерживают адреса памяти достаточно долго для адресации всей физической памяти, по-прежнему могут обращаться ко всей памяти через IOMMU, избегая накладных расходов, связанных с копированием буферов в адресное пространство памяти периферийного устройства и из него.
- Например, компьютеры x86 могут адресовать более 4 гигабайт памяти с помощью функции расширения физического адреса (PAE) в процессоре x86. Тем не менее, обычное 32-битное PCI-устройство просто не может адресовать память выше границы 4 ГиБ и, следовательно, не может получить к ней прямой доступ. Без IOMMU операционной системе пришлось бы реализовать трудоемкие буферы отказов (также известные как двойные буферы). ^{[ 3 ]}).
Память защищена от вредоносных устройств, которые пытаются атаковать DMA , и от неисправных устройств, которые пытаются ошибочную передачу памяти, поскольку устройство не может читать или записывать в память, которая не была явно выделена (сопоставлена) для него. Защита памяти основана на том факте, что ОС, работающая на ЦП (см. рисунок), контролирует исключительно как MMU, так и IOMMU. Устройства физически не могут обойти или повредить настроенные таблицы управления памятью.
- При виртуализации операционные системы могут использовать оборудование , гостевые не предназначенное специально для виртуализации. Более производительное оборудование, такое как видеокарты, использует DMA для прямого доступа к памяти; в виртуальной среде все адреса памяти переназначаются программным обеспечением виртуальной машины, что приводит к сбою устройств DMA. IOMMU обрабатывает это переназначение, позволяя использовать собственные драйверы устройств в гостевой операционной системе.
В некоторых архитектурах IOMMU также выполняет перераспределение аппаратных прерываний аналогично стандартному перераспределению адресов памяти.
Подкачка периферийной памяти может поддерживаться IOMMU. Периферийное устройство, использующее расширение интерфейса запроса страницы (PRI) службы трансляции адресов PCIe PCI-SIG (ATS), может обнаруживать и сигнализировать о необходимости служб диспетчера памяти.

Для системных архитектур, в которых порт ввода-вывода представляет собой отдельное адресное пространство от адресного пространства памяти, IOMMU не используется, когда ЦП взаимодействует с устройствами через порты ввода-вывода . В системных архитектурах, в которых порт ввода-вывода и память отображаются в подходящее адресное пространство, IOMMU может транслировать доступ к порту ввода-вывода.

Недостатки

К недостаткам использования IOMMU по сравнению с прямой физической адресацией памяти относятся: ^{[ 4 ]}

Некоторое снижение производительности из-за накладных расходов на трансляцию и управление (например, обход таблицы страниц).
Потребление физической памяти для добавленных таблиц страниц ввода-вывода (трансляций) . Это можно смягчить, если таблицы можно использовать совместно с процессором.
Чтобы уменьшить размер таблицы страниц, степень детализации многих IOMMU равна подкачке памяти (часто 4096 байт), и, следовательно, каждый небольшой буфер, который нуждается в защите от атаки DMA, должен быть выровнен по страницам и обнулен, прежде чем он станет видимым для устройства. Из-за сложности распределения памяти ОС это означает, что драйверу устройства необходимо использовать буферы возврата для конфиденциальных структур данных, что снижает общую производительность.

Виртуализация

Когда операционная система работает внутри виртуальной машины , включая системы, использующие паравиртуализацию , такие как Xen и KVM , она обычно не знает хост-физические адреса памяти, к которой она обращается. Это затрудняет предоставление прямого доступа к аппаратному обеспечению компьютера, поскольку, если гостевая ОС попытается дать указание оборудованию выполнить прямой доступ к памяти (DMA) с использованием гостевых физических адресов, это, скорее всего, приведет к повреждению памяти, поскольку оборудование не знает об этом. сопоставление между гостевым физическим адресом и физическим адресом хоста для данной виртуальной машины. Повреждения можно избежать, если гипервизор или ОС хоста вмешивается в операцию ввода-вывода для применения преобразований. Однако этот подход приводит к задержке операции ввода-вывода.

IOMMU решает эту проблему, переопределяя адреса, к которым обращается оборудование, в соответствии с той же (или совместимой) таблицей преобразования, которая используется для сопоставления гостевого физического адреса с физическими адресами хоста. ^{[ 5 ]}

Опубликованные характеристики

AMD опубликовала спецификацию технологии IOMMU под названием AMD-Vi . ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}
IBM предложила поддержку расширенной программы управления: режим Virtual Storage Extended (ECPS:VSE). ^{[ 8 ]} на линии 43xx ; канальные программы использовали виртуальные адреса.
Корпорация Intel опубликовала спецификацию технологии IOMMU как Технология виртуализации для направленного ввода-вывода, сокращенно VT-d . ^{[ 9 ]}
Информация о Sun IOMMU опубликована в разделе Доступ к виртуальной памяти устройства (DVMA) на сайте Solaris Developer Connection. ^{[ 10 ]}
Запись управления трансляцией IBM (TCE) описана в документе под названием «Безопасность логических разделов в IBM eServer pSeries 690». ^{[ 11 ]}
PCI -SIG ведет соответствующую работу в рамках виртуализации ввода-вывода с единым корнем (SR-IOV) и служб трансляции адресов (ATS). Раньше они были описаны в отдельных спецификациях, но начиная с PCI Express 5.0 они были перенесены в базовую спецификацию PCI Express. ^{[ 12 ]}
ARM определяет свою версию IOMMU как блок управления системной памятью (SMMU). ^{[ 13 ]} в дополнение к своей архитектуре виртуализации. ^{[ 14 ]}

См. также

Ссылки

^ «Аппаратная поддержка платформы Intel для виртуализации ввода-вывода» . intel.com. 10 августа 2006 г. Архивировано из оригинала 20 января 2007 г. Проверено 7 июня 2014 г.
^ «Системные платы для настольных ПК: совместимость с технологией виртуализации Intel (Intel VT)» . intel.com. 14 февраля 2014 г. Проверено 7 июня 2014 г.
^ «Расширение физического адреса — память PAE и Windows» . Центр разработки оборудования Microsoft Windows. 2005 . Проверено 7 апреля 2008 г.
^ Мули Бен-Иегуда; Джими Ксенидис; Михал Островский (27 июня 2007 г.). «Цена безопасности: оценка эффективности IOMMU» (PDF) . Материалы симпозиума Linux 2007 . Оттава, Онтарио, Канада: IBM Research . Проверено 28 февраля 2013 г.
^ «Часто задаваемые вопросы по Xen: Как в DomU использовать 3D-графику» . Архивировано из оригинала 23 апреля 2005 г. Проверено 12 декабря 2006 г.
^ «Спецификация технологии виртуализации ввода-вывода AMD (IOMMU), версия 2.0» (PDF) . amd.com. 24 марта 2011 г. Проверено 11 января 2014 г.
^ «Спецификация технологии виртуализации ввода-вывода AMD (IOMMU)» (PDF) . amd.com . Проверено 9 июля 2020 г.
^ Принципы работы процессоров IBM 4300 для режима ECPS:VSE (PDF) (первое издание). ИБМ. Январь 1979 г. SA22-7070-0. Архивировано из оригинала (PDF) 14 марта 2012 г. Проверено 30 июня 2021 г.
^ «Технология виртуализации Intel для спецификации архитектуры направленного ввода-вывода (VT-d)» (PDF) . Проверено 9 июля 2020 г.
^ «Ресурсы DVMA и переводы IOMMU» . Проверено 30 апреля 2007 г.
^ «Безопасность логических разделов в IBM eServer pSeries 690» . Архивировано из оригинала 10 марта 2007 года . Проверено 30 апреля 2007 г.
^ «Базовая спецификация PCI Express» . Проверено 18 января 2023 г.
^ «АРМ СММУ» . Проверено 13 мая 2013 г.
^ «Расширения виртуализации ARM» . Архивировано из оригинала 3 мая 2013 г. Проверено 13 мая 2013 г.

Внешние ссылки

Боттомли, Джеймс (1 мая 2004 г.). «Использование DMA» . Linux-журнал (121). Специализированные системные консультанты . Архивировано из оригинала 15 июля 2006 г. Проверено 9 августа 2006 г.
Освоение API-интерфейсов DMA и IOMMU , Конференция по встроенному Linux 2014, Сан-Хосе, автор Лоран Пинчарт

[1] «Аппаратная поддержка платформы Intel для виртуализации ввода-вывода» . intel.com. 10 августа 2006 г. Архивировано из оригинала 20 января 2007 г. Проверено 7 июня 2014 г.

[2] «Системные платы для настольных ПК: совместимость с технологией виртуализации Intel (Intel VT)» . intel.com. 14 февраля 2014 г. Проверено 7 июня 2014 г.

[3] «Расширение физического адреса — память PAE и Windows» . Центр разработки оборудования Microsoft Windows. 2005 . Проверено 7 апреля 2008 г.

[price-of-safety-4] Мули Бен-Иегуда; Джими Ксенидис; Михал Островский (27 июня 2007 г.). «Цена безопасности: оценка эффективности IOMMU» (PDF) . Материалы симпозиума Linux 2007 . Оттава, Онтарио, Канада: IBM Research . Проверено 28 февраля 2013 г.

[5] «Часто задаваемые вопросы по Xen: Как в DomU использовать 3D-графику» . Архивировано из оригинала 23 апреля 2005 г. Проверено 12 декабря 2006 г.

[6] «Спецификация технологии виртуализации ввода-вывода AMD (IOMMU), версия 2.0» (PDF) . amd.com. 24 марта 2011 г. Проверено 11 января 2014 г.

[7] «Спецификация технологии виртуализации ввода-вывода AMD (IOMMU)» (PDF) . amd.com . Проверено 9 июля 2020 г.

[8] Принципы работы процессоров IBM 4300 для режима ECPS:VSE (PDF) (первое издание). ИБМ. Январь 1979 г. SA22-7070-0. Архивировано из оригинала (PDF) 14 марта 2012 г. Проверено 30 июня 2021 г.

[9] «Технология виртуализации Intel для спецификации архитектуры направленного ввода-вывода (VT-d)» (PDF) . Проверено 9 июля 2020 г.

[10] «Ресурсы DVMA и переводы IOMMU» . Проверено 30 апреля 2007 г.

[11] «Безопасность логических разделов в IBM eServer pSeries 690» . Архивировано из оригинала 10 марта 2007 года . Проверено 30 апреля 2007 г.

[12] «Базовая спецификация PCI Express» . Проверено 18 января 2023 г.

[13] «АРМ СММУ» . Проверено 13 мая 2013 г.

[14] «Расширения виртуализации ARM» . Архивировано из оригинала 3 мая 2013 г. Проверено 13 мая 2013 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

v т и Управление памятью
Memory management as a function of an operating system
Hardware	Memory management unit (MMU) Translation lookaside buffer (TLB) Input–output memory management unit (IOMMU)
Virtual memory	Demand paging Memory paging Page table Virtual memory compression
Memory segmentation	Protected mode Real mode Virtual 8086 mode x86 memory segmentation
Memory allocator	dlmalloc Hoard jemalloc libumem mimalloc ptmalloc
Manual memory management	Static memory allocation C dynamic memory allocation new and delete (C++)
Garbage collection	Automatic Reference Counting Boehm garbage collector Cheney's algorithm Concurrent mark sweep collector Finalizer Garbage Garbage-first collector Mark–compact algorithm Reference counting Tracing garbage collection Strong reference Weak reference
Memory safety	Buffer overflow Buffer over-read Dangling pointer Stack overflow
Issues	Fragmentation Memory leak Unreachable memory
Other	Automatic variable International Symposium on Memory Management Region-based memory management
Memory management Virtual memory Automatic memory management Memory management algorithms Memory management software