DMAとIOMMUによるデバイスメモリアクセス

DMAが解く問題

NIC やストレージから大量のデータを取り込むとき、1バイトずつ CPU がデバイスのレジスタを読んでメモリへ写していては CPU が転送に拘束され、本来の計算が進みません。これは 割り込みと入出力 で触れた PIO（Programmed I/O）の限界です。

DMA（Direct Memory Access） は、デバイス自身が物理メモリへ直接読み書きできるようにします。CPU はディスクリプタに「どの物理アドレスへ／何バイト」を書いて転送を指示するだけで、実際のバス転送はデバイス側のDMAエンジンが行います。転送が終わると、デバイスは 割り込み で完了を通知します。CPU が解放される間、スケジューラ は別のプロセスを走らせられます。

[PIO]  デバイス → CPUレジスタ → メモリ   （CPUが1ワードずつ介在）
[DMA]  デバイス ───────────→ メモリ      （CPUは開始指示と完了通知だけ）

スキャッタギャザー：物理的に飛び地のメモリへ

ここで問題になるのが、アプリの連続したバッファが物理的には連続していないことです。ユーザー空間の数十KBのバッファも、ページ単位で見れば物理フレームは 仮想記憶 によってバラバラの位置に散っています。デバイスのDMAエンジンは仮想アドレスを知らないため、本来は物理フレームごとに転送を分割する必要があります。

これを1回の転送として扱うのが**スキャッタギャザー（scatter-gather, SG）です。(物理アドレス, 長さ) の組を並べたSGリスト（ディスクリプタチェーン）**をデバイスに渡すと、DMAエンジンがリストを辿って飛び地を順に処理し、論理的には1つの転送として完結させます。

SGリスト（例）
[ addr=0x1A000, len=4096 ]  → ページA
[ addr=0x7C000, len=4096 ]  → ページB（物理的に離れている）
[ addr=0x3F000, len=2048 ]  → ページCの一部

IOMMU：デバイスにとってのMMU

DMAの本質的な危険は、デバイスが物理アドレスを直接指定してメモリへ書ける点にあります。ドライバのバグやマルウェア化したファームウェア、悪意あるPCIeデバイスが任意の物理アドレスを書けば、カーネル領域の改竄すら可能です。仮想化環境でゲストにデバイスを直接割り当てる（パススルー）場合、ゲストが書いたアドレスをそのまま信じることはできません。

IOMMU（I/O Memory Management Unit、Intel では VT-d、AMD では AMD-Vi/IOMMU、ARM では SMMU） は、CPU の MMU がプロセスに対して行うことを、デバイスに対して行います。デバイスが出すアドレスを IOVA（I/O仮想アドレス） とみなし、専用のページテーブルで物理アドレスへ変換し、同時に権限を検査します。

デバイス → [IOVA] → IOMMU（変換 + 保護） → [物理アドレス] → メモリ
                       ↑
              デバイス単位のページテーブル

変換と保護の単位はデバイスです。VT-d は PCIe の BDF（Bus/Device/Function）番号で各デバイスを識別し、ルートテーブル→コンテキストテーブルを引いて、そのデバイス専用のページテーブル（第2段変換）に到達します。これにより「デバイスXはこの領域だけアクセス可」を強制でき、未登録アドレスへの転送はハードウェアが遮断してフォルトを上げます。

DMA APIとコヒーレンシ管理

ドライバが物理アドレスを直接扱うと、IOMMUの有無やバウンスバッファの要否、キャッシュ整合性をすべて自前で処理する羽目になります。Linux の DMA API はこれを抽象化し、ドライバには DMAアドレス（dma_addr_t） という統一的なハンドルを返します。IOMMUがあればこれはIOVA、無ければ物理アドレス（やバウンスバッファのアドレス）であり、ドライバはどちらかを意識しません。

コヒーレンシ管理が必要なのは、CPU が書いた内容がキャッシュに留まったままだと、DMAでメモリを読むデバイスが古い値を見てしまうからです（キャッシュコヒーレンシ はコア間の話で、I/Oデバイスは必ずしもこの一貫性網に参加しません）。DMA APIは用途で2系統に分かれます。

ストリーミングDMAでは方向（DMA_TO_DEVICE / DMA_FROM_DEVICE）が重要です。CPUからデバイスへ送る前はキャッシュをフラッシュしてメモリに書き戻し、デバイスからCPUへ受け取る前はキャッシュを無効化して古い行を捨てます。この向きを dma_map_* と dma_sync_*_for_device / for_cpu の呼び出しで指定します。

/* デバイスへ送る場合の典型フロー */
addr = dma_map_single(dev, buf, len, DMA_TO_DEVICE); /* キャッシュ書き戻し+IOVA確保 */
/* ... デバイスに addr を渡して転送を起動、完了割り込みを待つ ... */
dma_unmap_single(dev, addr, len, DMA_TO_DEVICE);     /* IOVA解放+IOTLB無効化 */

まとめ

• DMA はデバイスが物理メモリへ直接読み書きし、CPUを転送から解放する。完了は割り込みで通知される。
• スキャッタギャザー は物理的に飛び地のページをSGリストで束ね、1転送として扱う。
• IOMMU（VT-d/AMD-Vi/SMMU） はデバイスのMMUとして、IOVAを物理アドレスへ変換しつつデバイス単位で保護する。不正アクセスはハードウェアが遮断する。
• DMA API はIOMMUやバウンスバッファの差を吸収し、コヒーレント/ストリーミングの2系統でキャッシュ整合性を管理する。所有権モデルとsyncの向きを誤るとデータ破壊に直結する。

仮想化でのデバイス直接割り当ては ハードウェア仮想化拡張 の二段変換と組み合わさり、ゲストへの安全なパススルーを実現します。