DMAとIOMMUの原理 ─ デバイス転送とアドレス保護

なぜDMAが要るのか ─ CPUをコピーから解放する

NICが受信したパケットやSSDから読んだブロックを、CPUが1ワードずつレジスタ経由でメモリへ運んでいたら（PIO、プログラムドI/O）、データ量に比例してCPU時間を食い潰します。10GbEで毎秒1GB超を運ぶのに、転送のたびCPUが介在しては話になりません。

そこでDMA（Direct Memory Access）は、デバイス自身がメインメモリへ直接読み書きできるようにします。CPUは「どこへ何バイト転送せよ」とデバイスに指示するだけで、実際のデータ移動はデバイス側のDMAエンジンが担い、完了したら割り込みでCPUへ知らせます。CPUは転送中、別の処理を回せます。

ディスクリプタリング ─ 転送要求をキューに積む

高速デバイスでは1回の転送ごとにCPUへ指示を仰いでいては遅延が支配的になります。そこでディスクリプタリング（リングバッファ）を使います。

ディスクリプタとは「転送元/転送先のアドレス・長さ・フラグ」を記述した小さな構造体です。これをメモリ上の環状配列に並べ、ドライバとデバイスが生産者・消費者の関係で共有します。

ディスクリプタリング（受信の例）
  +---------+---------+---------+---------+
  | desc[0] | desc[1] | desc[2] | desc[3] | ... 環状
  +---------+---------+---------+---------+
       ^tail(デバイスが書き込む先)   ^head(ドライバが回収する先)

  ドライバ : 空きバッファのアドレスをディスクリプタに書きtailを進める
  デバイス : 受信データを該当バッファへDMAし、完了ビットを立てる
  完了割り込み: 複数ディスクリプタ分をまとめて1回通知（割り込み合体）

ドライバはバッファのアドレスを並べておくだけ、デバイスは空いているディスクリプタを順に消費してDMAする。両者はリングのインデックス（head/tail）を更新するだけで同期し、転送ごとのCPU介在を排除します。完了通知も1ディスクリプタごとに割り込まず、**割り込み合体（interrupt coalescing）**で束ねることでCPU負荷を下げます。これがNVMeのサブミッション/コンプリーションキューや、NICのRx/Txリングの基本構造です。

IOMMU ─ デバイス側のMMU

CPUのコアには仮想アドレスを物理アドレスへ変換するMMUがあります。IOMMU（I/O MMU）は、同じ発想をデバイスからのメモリアクセス経路に置いたものです。IntelではVT-d、ArmではSMMU、AMDではAMD-Viと呼ばれます。

デバイスが発行するアドレスを**IOVA（I/O Virtual Address、デバイス仮想アドレス）**と呼びます。IOMMUはIOVAを受け取り、デバイスごとのページテーブルを引いて物理アドレスへ変換し、その結果でメモリへアクセスします。

DMAアクセスの経路（IOMMUあり）
  デバイス --IOVA--> [ IOMMU ] --物理アドレス--> メインメモリ
                       |  デバイスごとのページテーブルで変換
                       |  権限(R/W)・到達範囲をチェック
                       +-> 範囲外なら fault を上げて遮断

ここで重要なのは、変換テーブルがデバイス単位（正確にはPCIeのBus/Device/Functionで識別される単位）に分かれている点です。各デバイスには専用のアドレス空間が割り当てられ、テーブルにマッピングされていない物理ページにはそもそも到達できません。これが「分離（isolation）」です。

DMAリマッピングと割り込みリマッピング

IOMMUが行う変換は大きく2系統あります。

DMAリマッピングは前述のIOVAから物理アドレスへの変換そのものです。これにより3つの効果が同時に得られます。

• 保護: デバイスはマッピングされた範囲しか触れない。ドライバのバグや悪性デバイスによる任意メモリ破壊を封じる。
• 連続化: 物理的に飛び飛びのページ群を、デバイスから見て連続したIOVA空間に見せられる（散在バッファをまとめてDMAできる）。
• アドレス拡張: 32ビットDMAしかできない古いデバイスでも、IOVAをマップし直せば64ビット空間の任意の物理ページへ届かせられる（バウンスバッファ不要化）。

割り込みリマッピングは、デバイスが発行するMSI/MSI-X割り込みを変換テーブル経由でルーティングする仕組みです。割り込みも本質は「特定アドレスへの書き込み」なので、リマッピングがないと偽装した割り込みで他CPUへ不正なベクタを注入できてしまいます。割り込みリマッピングは割り込みエントリを検証・変換し、どのデバイスがどの割り込みを上げてよいかを制限します。仮想化では、これによりゲストへ割り込みを安全に転送できます。

保護モデルとパススルー ─ そしてSR-IOV

IOMMUの使い方には対極的な2つのモードがあります。

保護モード(translate) : IOVA -> ページテーブル -> 物理アドレス（変換・検査あり）
パススルー(passthrough): IOVA = 物理アドレス（変換せず素通し、保護なし）

パススルーは変換オーバーヘッドゼロで最速ですが保護を捨てます。信頼できるデバイスで性能最優先のとき選ばれます。一方、仮想マシンへデバイスを直接渡すデバイスパススルーでは、保護モードのIOMMUが不可欠です。ゲストが見るゲスト物理アドレスを、IOMMUがホスト物理アドレスへ変換することで、ゲストのDMAをそのVMの割り当てメモリ内に閉じ込められるからです。IOMMUなしのパススルーは、ゲストがホスト全体を破壊できることを意味します。

ただしデバイスを丸ごと1台のVMに占有させるのは非効率です。そこでSR-IOV（Single Root I/O Virtualization）が登場します。1つの物理デバイス（PF: 物理機能）を、ハードウェア的に複数の軽量なVF: 仮想機能へ分割し、各VFを独立したPCIeデバイス（独自のBDFを持つ）として個別のVMへパススルーします。

SR-IOV
   物理NIC
   ├─ PF（物理機能）         ... ホスト/管理用、VFを設定
   ├─ VF0  -> VM A へパススルー（独自BDF、独自キュー）
   ├─ VF1  -> VM B へパススルー
   └─ VF2  -> VM C へパススルー
   各VFはIOMMUで別テーブルにマップ -> 相互分離 + ホスト分離

各VFは固有のBDFを持つため、IOMMUはVFごとに別の変換テーブルを割り当てられます。結果として、ハイパーバイザのソフトウェア介在（仮想スイッチや準仮想化ドライバ）を経ずにVMが直接ハードウェアキューを叩け、ベアメタルに近い性能とVM間・ホスト間の分離を両立します。これはPCIeのトポロジと識別子の上に成り立つ機能です。

まとめ

• DMAはCPUを介さずデバイスが直接メインメモリへ転送する仕組みで、ディスクリプタリングで複数要求をキューに積み、割り込み合体でCPU負荷を抑える。
• DMAは物理アドレスを直接叩くため、保護機構がなければデバイスは任意メモリを破壊できる。これを解くのがIOMMUで、デバイスが出すIOVAをデバイス単位のページテーブルで物理アドレスへ変換し、到達範囲を限定する。
• DMAリマッピングは変換と保護・連続化・アドレス拡張を、割り込みリマッピングはMSIの検証とルーティングを担い、変換結果はIOTLBにキャッシュされる。
• SR-IOVは物理機能(PF)を複数の仮想機能(VF)へ分割し、各VFをIOMMUで分離して低オーバーヘッドのパススルーを実現する。保護モードのIOMMUがあって初めて安全な仮想化が成立する。

同じ「変換と分離」の発想はCPU側のキャッシュとメモリ階層や、デバイス接続を担うPCIeのアーキテクチャ、コヒーレンシを越えてアクセラレータを繋ぐCXLとも地続きです。データがどこを通り、誰の権限で動くかを押さえると、I/Oと仮想化の全体像が見通せます。