Intel VT-d（1）- 簡介

Intel VT-d的全稱是Intel Virtualization Technology for Direct I/O，它是Intel虛拟化技術的一部分，主要針對的是I/O子系統，它的實作主要是通過在硬體上引入重定向單元，該硬體重定向單元用于對I/O子系統的DMA操作和中斷傳遞進行重定向，進而輔助VMM（Virtual Machine Monitor）實作I/O子系統的虛拟化。

一般情況下VMM支援I/O虛拟化可以通過以下四種方式實作：

1. 純軟體模拟。即VMM的軟體模拟一個現有的I/O裝置，這種方式具有較好的相容性，但是純軟體模拟在性能和功能上就表現得比較差了。
2. 還是純軟體模拟，但是引入新的I/O操作接口，這些接口針對I/O虛拟化進行一定的優化，這樣雖然能夠解決一定的性能問題，但是相容性問題又出現了，因為需要使用新的操作接口。
3. 硬體配置設定，直接将I/O裝置配置設定給某個VM（Virtual Machine），這樣隻有指定的VM能夠使用該I/O裝置，并且I/O裝置的驅動位于VM中，并且VM能夠直接對I/O裝置進行操作，這樣性能和相容性都能達到最佳，但是一個I/O裝置隻能給一個VM使用。
4. I/O裝置分享，這是硬體配置設定方式的一種擴充，主要還是需要I/O裝置本身需要支援一定的功能，如能夠同時提供多個功能接口，比如PCIe裝置的SR-IOV功能，即PCIe裝置本身能夠将一個實體PCIe裝置，變成多個邏輯裝置，這多個邏輯裝置共享該PCIe裝置上的實體資源，并且可以獨立地配置設定給不同的VM。

以上I/O虛拟化的一個通用要求就是要求VMM能夠将屬于不同VM的I/O裝置安全地隔離起來，即需要滿足以下兩方面的要求：

1. 屬于一個VM的vCPU無法通路到屬于另外一個VM的I/O裝置，這可以通過VMX（Virtual Machine Extension）中的EPT（Extended Page Table）功能來實作，即VMM可以通過軟體配置，将虛拟機實體記憶體，即Guest Physcial Address映射到不同的主機記憶體區域，即Host Physical Address。
2. 屬于一個VM的I/O裝置不能通路到屬于其他VM的記憶體或者向屬于其他VM的中斷控制器發送中斷。如果是純軟體模拟的方式，則VMM也可以通過純軟體的方式來控制I/O裝置通路記憶體（如DMA）和發送中斷的行為。但是如果采用硬體配置設定的方式，則就需要在硬體上對I/O裝置通路記憶體和發送中斷的行為進行攔截，然後重定向到指定的VM中，這就是VT-d派上用場的時候了。

VT-d是一個位于CPU、記憶體和I/O裝置之間的硬體裝置，通常位于PCI裝置樹的根部，或者類似的位于I/O子系統的根部，當VT-d重定向硬體裝置啟用的時候，它會攔截位于它下面的所有I/O裝置産生的中斷請求和通過DMA方式對虛拟機記憶體通路的請求，然後通過查找中斷重定向表或者I/O頁表的方式（類似分頁機制）來重新定位中斷轉發的目标LAPIC或者是I/O裝置通路的目标主機實體記憶體位址。如下圖所示：

VMM軟體負責I/O裝置的配置設定，即将指定I/O裝置和相應的VM對應起來，并且負責建立中斷重定向關系表和I/O位址轉換頁表，并将這些轉換關系的配置設定到VT-d硬體裝置上，而I/O裝置發起的中斷請求或者DMA記憶體通路請求中帶有相應裝置的ID，這樣VT-d硬體單元就可以通過硬體查找的方式将不同的I/O裝置中斷和記憶體通路請求重定向到相應的VM上，進而達到隔離不同VM的I/O裝置的目的。

總的來說，VT-d的主要功能就是将I/O裝置的DMA通路請求和中斷請求重定向到VMM設定好的VM中。

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