《PCI Express体系结构导读》随记 —— 第II篇 第13章 PCI总线与虚拟化技术（2）

接前一篇文章：《PCI Express体系结构导读》随记 —— 第II篇 第13章 PCI总线与虚拟化技术（1）

13.1 IOMMU

在多进程环境下，处理器使用MMU机制，使得每一个进程都有独立的虚拟地址空间，从而在各个进程运行在独立的地址空间中，互不干扰。MMU具有两大功能：一是进行地址转换，将分属不同进程的虚拟地址转换为物理地址；二是对物理地址的访问进行权限检查，判断虚实地址转换的合理性。

在多数操作系统中，每一个进程都具有独立的页表，以存放虚拟地址到物理地址的映射关系和属性。但是如果进程每次访问物理内存时都需要访问页表，将严重影响进程的执行效率。为此，处理器设置了TLB（Translation Lookaside Buffer，旁路转换缓冲）作为页表的Cache。如果进程的虚拟地址在TLB命中时，则从TLB中直接获得物理地址，而不需要使用页表进行虚实地址的转换，从而极大地提高了访问存储器的效率。

从地址转换的角度来看，IOMMU与MMU较为类似，只是IOMMU完成的是外部设备地址到存储器地址的转换。可以将一个PCI设备模拟成为处理器系统的一个特殊进程，当这个进程访问存储器时使用特殊的MMU（即IOMMU）进行虚实地址转换，然后再访问存储器。在这个IOMMU中，同样存在IO页表存放虚实地址转换关系和访问权限，而且处理器为了加速这种虚实地址的转换，还设置了IOTLB作为IO页表的Cache。单纯从这个角度来看，许多HOST主桥和RC也具备同样的功能，如Powerp/c处理器的Inbound窗口和Outbound窗口，也可以完成这种特殊的地址转换。但是这些窗口仅能完成PCI总线域到一个存储器域的地址转换，无法实现PCI总线域到多个存储器域的转换。

目前，设置IOMMU的主要作用是支持虚拟化技术。当然，使用IOMMU也可以实现其它功能，如使“仅支持32位地址的PCI设备”访问4GB以上的存储器空间。IA处理器和AMD处理器分别使用“VT-d”和“IOMMU”实现外部设备的地址转换。这两种技术（VT-d和IOMMU）都可以将PCI总线域地址空间转换为不同的存储器域地址空间，便于虚拟化技术的设计与实现。

13.1.1 IOMMU的工作原理

根据虚拟化的理论，假设在一个处理器系统中存在两个Domain，其中一个为Domain 1、而另一个为Domain 2。这两个Domain分别对应不同的虚拟机，并使用独立的物理地址空间，分别为GPA1（GPA即Guest Physical Address）和GPA2空间，其中在Domain 1上运行的所有进程都使用GPA1空间，而在Domain 2上运行的所有进程都使用GPA2空间。

GPA1和GPA2采用独立的编码格式，其地址都可以从各自GPA空间的0x00000000地址开始，只是GPA1和GPA2空间在System Memory中占用的实际物理地址HPA（Host Physical Address）并不相同。HPA也被称为MPA（Machine Physical Address），是处理器系统中真实的物理地址。而PCI设备依然使用PCI总线域地址空间，PCI总线地址需要通过DMA-Remapping逻辑转换为HPA地址后，才能访问存储器。DMA-Remapping逻辑的组成结构如图13-1所示：

图13-1 DMA-Remapping实现

对于DMA-Remapping机制的详细讲解，放在下一回中。