I/O虚拟化与DMA

直接内存访问允许设备在无需处理器逐字参与的情况下，将数据传输到内存或从内存传输数据；而I/O虚拟化则将其扩展到在虚拟机之间安全共享物理设备。这两者都是现代和云系统高效运行的核心。

Definition

直接内存访问是一种机制，通过该机制，设备可以直接将数据传输到主内存或从主内存传输数据，而无需处理器复制每个数据；I/O虚拟化是一组技术，用于在多个虚拟机之间安全高效地呈现和共享物理I/O设备。

Scope

本主题涵盖直接内存访问（DMA）和I/O虚拟化：DMA控制器如何移动批量数据并发出完成信号，IOMMU在设备传输的地址转换和保护中的作用，以及在虚拟机之间共享设备的技术，例如设备仿真、半虚拟化和硬件辅助直通。它处理高效安全的设备数据移动。它不包括基本的设备控制和中断（I/O架构和总线）以及存储介质（辅助存储设备）。

Core questions

• DMA如何在不占用处理器的情况下传输批量数据？
• IOMMU如何为设备传输提供地址转换和保护？
• 物理设备如何在虚拟机之间安全共享？
• 设备仿真、半虚拟化和直通之间有哪些权衡？

Key concepts

• 直接内存访问 (DMA)
• DMA控制器和描述符
• 完成中断
• IOMMU和设备地址转换
• 设备仿真
• 半虚拟化I/O
• 设备直通和SR-IOV
• 隔离和保护

Key theories

直接内存访问

DMA控制器自主地在设备和内存之间传输数据块，仅在完成时中断处理器，这使得I/O与计算重叠，对于高吞吐量数据移动至关重要。

Mechanisms

对于DMA传输，处理器会用源、目标和长度对控制器进行编程，然后继续其他工作，同时设备移动数据并引发完成中断。IOMMU转换设备使用的地址并限制其访问，提供保护并实现安全直通。虚拟机通过仿真设备、半虚拟化驱动程序或直接硬件直通（包括单根I/O虚拟化，允许一个设备呈现多个虚拟功能）访问设备。

Clinical relevance

DMA是高效I/O的基础，在与存储和网络设备进行批量传输时解放了处理器。I/O虚拟化对于云计算和数据中心至关重要，在这些环境中，许多虚拟机共享物理硬件；IOMMU提供了隔离，使得共享和直接设备分配既安全又快速。

History

自早期计算机以来，直接内存访问一直被用于将数据移动从处理器中卸载。随着虚拟化在21世纪初成为服务器和云计算的核心，增加了硬件支持，例如IOMMU和单根I/O虚拟化，以使设备共享和直接分配变得高效和安全。

Debates

直通性能与灵活性

直接设备直通为虚拟机提供了接近原生的I/O性能，但降低了迁移和超额订阅的灵活性；而仿真或半虚拟化I/O更灵活但速度较慢；系统设计者会根据其工作负载平衡这些因素。

Key figures

• John L. Hennessy
• David A. Patterson
• Abraham Silberschatz

Seminal works

• hennessy2019
• silberschatz2018

Frequently asked questions

IOMMU有什么作用？

IOMMU将设备在DMA期间使用的地址转换为物理内存地址，并限制设备可以访问的内存。这提供了保护和隔离——防止设备或驱动程序损坏任意内存——并使得将设备安全地直接分配给虚拟机成为可能。

DMA为什么对性能很重要？

如果没有DMA，处理器将不得不将每个字复制到设备或从设备复制，这会消耗周期并在慢速传输时停滞。DMA将批量数据移动卸载到专用控制器，让处理器可以执行其他有用的工作，并且只处理一个完成中断。