2.3.1　Intel VT-d

Intel VT-d技术通过在北桥（MCH）引入DMA（Direct Memory Access，直接内存存取）重映射硬件，以提供设备重映射和设备直接分配的功能。在启用VT-d的平台上，设备所有的DMA传输都会被DMA重映射硬件截获。根据设备对应的I/O页表，硬件可以对DMA中的地址进行转换，使设备只能访问到规定的内存。使用VT-d后，设备访问内存的架构如图2-9所示。

图2-9（a）是未启动VT-d的情况，此时设备的DMA可以访问整个物理内存。图2-9（b）是启用VT-d的情况，此时设备的DMA只能访问指定的物理内存。

DMA重映射技术是VT-d技术提供的最关键的功能之一，下面将研究DMA重映射的基本原理。在进行DMA操作时，设备需要做的就是向（从）驱动程序告知的“物理地址”复制（读取）数据。然而，在虚拟机环境下，客户机使用的是GPA，那么客户机驱动操作设备也用GPA。但是，设备在进行DMA操作时，需要使用内存物理地址（Memory Physical Address，MPA），于是I/O虚拟化的关键问题就是如何在操作DMA时将GPA转换成MPA。VT-d技术提供的DMA重映射技术就是用来解决在进行DMA操作时将GPA转换成MPA的问题。

PCI总线结构通过设备标示符（BDF）可以索引到任何一条总线上的任何一个设备，而VT-d中的DMA总线传输中也包含一个BDF用于标识DMA操作发起者。除了BDF外，VT-d还提供了两种数据结构来描述PCI架构，分别是根条目（Root Entry）和上下文条目（Content Entry）。下面将分别介绍这两种数据结构。

1.根条目

根条目用于描述PCI总线，每条总线对应一个根条目。由于PCI架构最多支持256条总线，故最多可以有256个根条目。这些根条目一起构成一张表，称为根条目表（Root Entry Table）。有了根条目表，系统中每一条总线都会被描述到。图2-10所示为根条目的结构。

图2-10中主要字段解释如下：

（1）P：存在位。P为0时，条目无效，来自该条目所代表总线的所有DMA传输被屏蔽；P为1时，该条目有效。

（2）CTP（Context Table Point，上下文表指针）：指向上下文条目表。

2.上下文条目

上下文条目用于描述某个具体的PCI设备，这里的PCI设备是指逻辑设备（BDF中的function字段）。一条PCI总线上最多有256个设备，故有256个上下文条目，它们一起组成上下文条目表（Context Entry Table）。通过上下文条目表，可描述某条PCI总线上的所有设备。图2-11所示为上下文条目的结构。

图2-11中主要字段解释如下：

（1）P：存在位。P为0时条目无效，来自该条目所代表设备的所有DMA传输被屏蔽；P为1时，表示该条目有效。

（2）T：类型，表示ASR字段所指数据结构的类型。目前，VT-d技术中该字段为0，表示多级页表。

（3）DID（Domain ID，域标识符）：可以看作用于唯一标识该客户机的标识符。

根条目表和上下文条目表共同构成了图2-12所示的两级结构。

当DMA重映射硬件捕获一个DMA传输时，通过其中BDF的BUS字段索引根条目表，可以得到产生该DMA传输的总线对应的根条目。由根条目的CTP字段可以获得上下文条目表，用BDF中的{dev，func}索引该表，可以获得发起DMA传输的设备对应的上下文条目。从上下文条目的ASR字段，可以寻址到该设备对应的I/O页表。此时，DMA重映射硬件就可以做地址转换。通过这样的两级结构，VT-d技术可以覆盖平台上所有的PCI设备，并对它们的DMA传输进行地址转换。

I/O页表是DMA重映射硬件进行地址转换的核心。它的思想和CPU中分页机制的页表类似，CPU通过CR3寄存器就可以获得当前系统使用的页表的基地址，而VT-d需要借助根条目和上下文条目才能获得设备对应的I/O页表。VT-d使用硬件查页表机制，整个地址转换过程对于设备、上层软件都是透明的。与CPU使用的页表相同，I/O页表也支持多种粒度的页面大小，其中最典型的4KB页面地址转换过程如图2-13所示。