IOMMU的七種使用模式
1. 取代 GART
GART是AMD64系統的一個功能，主要用於協助圖形協處理器對複雜的圖形對象進行記憶體地址轉換。即使這些對象在實際內存中是分散的，GART使得圖形協處理器能夠正確訪問它們。這種轉換包括所有對圖形孔的訪問，包括主處理器執行的和I/O設備執行的內存讀寫。要使I/O設備實現類似的轉換，主機操作系統需要建立特定的I/O頁表，指定所需的轉換，然後通知IOMMU進行更新。這樣，主處理器和圖形設備的所有訪問都被映射到和GART一樣的內存頁。
如果主機操作系統更改頁面保護或轉換，它需要同時更新處理器頁表和I/O頁表，然後向處理器和IOMMU發送相應的頁失效命令。不同的是，IOMMU在改變I/O頁表後需要頁失效命令，而處理器在改變葉頁表條目時不需要這樣的操作。總的來說，IOMMU和GART在這方面相似，但IOMMU提供了更多的保護和轉譯功能。
2. 取代設備排除向量機制
設備排除向量(DEV)是一種基本的安全機制，引入於AMD64安全虛擬機器(SVM)架構中。DEV類似於IOMMU，它允許將I/O設備歸類到不同的區域(domain)。
每個區域都有一個位向量，由物理頁面地址索引，用於指示該區域中的I/O設備是否被允許訪問相應的物理頁面。IOMMU提供保護和轉譯功能。如果只需要進行保護，軟體可以建立身份映射(identity-mapped)的I/O頁表，以指定所需的保護措施。
3. 32位到64位傳統I/O設備映射
隨著大容量內存的普及，傳統32位元設備無法隨意訪問系統內存，導致操作系統需區分低內存和高內存，並進行繁複管理。為了解決問題，某些系統使用GART，但這引入了複雜性和性能成本。相比之下，IOMMU提供更優越的解決方案，全面轉譯I/O設備地址，並允許各設備獨立管理，避免性能問題。
4. 用戶模式設備訪問
IOMMU在保護和管理I/O設備存取方面扮演關鍵角色，確保只有透過I/O頁表明確映射的頁面可以被訪問。啟用使用者層級的I/O設備存取需要考慮設計，包括DMA的保護和重新映射，以及IOMMU在中斷管理上的協助。系統軟體需評估是否需要鎖定可能被使用者層級進程控制的I/O設備訪問的所有頁面，而可選的外設頁請求（PPR）機制可幫助避免鎖定所有頁面的需求。
5. 在虛擬機中由訪客端存取設備端
IOMMU可用於讓未經修改的虛擬機器客戶操作系統直接訪問I/O設備。這種情況是允許使用者層級訪問I/O設備的一種特殊情況。要實現這一點，需要考慮客戶端無法通知虛擬機管理程式 (Hypervisor) 哪些頁面I/O設備可能訪問。客戶端的I/O頁表映射客戶端物理地址到系統物理地址。若虛擬機運行在嵌套分頁下，使用與IOMMU兼容的嵌套分頁表，則IOMMU可直接與主機CPU頁表共享。多個I/O設備可共享相同的DomainID，以提高效能。最後，使用大頁分配客戶端內存可增加I/O吞吐量，並降低IOMMU翻譯快取的抖動風險。
6. 虛擬化IOMMU
IOMMU在虛擬機管理程式（HV）中的軟體模擬。HV需要模擬IOMMU配置寄存器和MMIO映射命令寄存器，以及維護實際和虛擬的Device Table。由於性能原因，HV推薦客戶端在啟動IOMMU命令處理前將批量命令排隊到IOMMU的命令緩衝區。此外，HV需建立影子I/O頁表以供實際IOMMU使用，同時報告IOMMU可選功能的子集。
7. 虛擬化用戶模式設備訪問
一個具有雙層轉譯的IOMMU在執行系統保護策略的同時，允許在虛擬化系統中由用戶層級進程正確控制任意I/O設備。它確保了系統保護策略的執行，同時允許用戶層級進程正確控制I/O設備。IOMMU轉譯I/O設備的內存訪問，只允許訪問已由相應I/O頁表映射的頁面。這樣一來，用戶進程只能訪問其有權限訪問的頁面，而無需Hypervisor或操作系統的介入。另外，除了地址轉譯外，啟用用戶層級I/O設備還需要考慮其他設計方面，例如中斷的重新映射。系統軟體需要評估是否需要鎖定所有可能被用戶層級進程控制的I/O設備訪問的內存頁，並且一些外設裝置可能支持ATS協議，可以利用外設頁面請求機制而無需鎖定所有頁面。
參考來源