Windows 图形显示驱动开发-IoMmu 模型

输入输出内存管理单元 (IOMMU) 是一个硬件组件，它将支持具有 DMA 功能的 I/O 总线连接到系统内存。 它将设备可见的虚拟地址映射到物理地址，使其在虚拟化中很有用。

在 WDDM 2.0 IoMmu 模型中，每个进程都有一个虚拟地址空间，即：

• 在 CPU 和 GPU 之间共享。
• 由 OS 内存管理器管理。

为了访问内存，GPU 向兼容的 IOMMU 发送数据请求。 该请求包括一个共享虚拟地址和一个进程地址空间标识符 (PASID)。 IOMMU 使用共享页表执行地址转换。 下图说明了此操作。

内核模式显示驱动程序 (KMD) 通过设置DXGK_VIDMMCAPS::IoMmuSupported 上限来表示对 IoMmu 模型的支持。 设置此标志后，视频内存管理器 (VidMm) 会自动将 GPU 与 IOMMU 一起使用的任何进程注册，并获取该进程地址空间的 PASID。 PASID 在创建设备期间传递给驱动程序。

VidMm 在显示之前将主要分配映射到光圈段，确保显示控制器具有对这些分配的物理访问权限。

在 IoMmu 模型中，用户模式显示驱动程序 (UMD) 继续使用 VidMm 的 Allocate 服务为 GPU 分配视频内存。 此过程允许 UMD：

遵循驻留模型;
支持 DirectX 资源共享模型;
确保主图面对内核可见，并在显示之前映射到内存调整;

UMD 在用户模式下完全管理第一级转换（磁贴资源地址到共享 CPU/GPU 地址）。

基于 IOMMU 的 GPU 隔离

基于 IOMMU 的 GPU 隔离是一种通过管理 GPU 访问系统内存的方式来增强系统安全性和稳定性的技术。 本文介绍了 WDDM 基于 IOMMU 的 GPU 隔离功能（适用于支持 IOMMU 的设备），以及开发人员如何在其图形驱动程序中实现该功能。

此功能从 Windows 10 版本 1803 (WDDM 2.4) 开始提供。 

基于 IOMMU 的 GPU 隔离允许 Dxgkrnl 利用 IOMMU 硬件对从 GPU 访问系统内存加以限制。 OS 可以提供逻辑地址，而不是物理地址。 这些逻辑地址可用于限制设备对系统内存的访问，使其只能访问允许访问的内存。 它通过确保 IOMMU 将 PCIe 上的内存访问转换为有效和可访问的物理页面来实现这一目标。

如果设备访问的逻辑地址无效，则设备就无法访问物理内存。 这一限制可防止一系列允许攻击者通过受损硬件设备访问物理内存的漏洞。 如果缺少它，攻击者就可以读取设备运行所不需要的系统内存内容。

默认情况下，只有为 Microsoft Edge 启用 Windows Defender 应用程序防护（即容器虚拟化）的电脑才会启用此功能。

出于开发目的，实际的 IOMMU 重新映射功能是通过以下注册表键值来启用或禁用的：

HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Control\GraphicsDrivers
DWORD: IOMMUFlags0x01 Enabled* Enables creation of domain and interaction with HAL0x02 EnableMappings* Maps all physical memory to the domain* EnabledMappings is only valid if Enabled is also set. Otherwise no action is performed0x04 EnableAttach* Attaches the domain to the device(s)* EnableAttach is only valid if EnableMappings is also set. Otherwise no action is performed0x08 BypassDriverCap* Allows IOMMU functionality regardless of support in driver caps. If the driver does not indicate support for the IOMMU and this bit is not set, the enabled bits are ignored.0x10 AllowFailure* Ignore failures in IOMMU enablement and allow adapter creation to succeed anyway.* This value cannot override the behavior when created a secure VM, and only applies to forced IOMMU enablement at device startup time using this registry key.

如果启用此功能，IOMMU 将在适配器启动后立即启用。 所有在此之前分配的驱动程序在启用后都会被映射。

此外，如果将速度暂存密钥 14688597 设置为已启用，则会在创建安全虚拟机时激活 IOMMU。 目前，此暂存密钥默认为已禁用，以便在没有适当 IOMMU 支持的情况下允许自托管。

在启用后，如果驱动程序不提供 IOMMU 支持，则启动安全虚拟机会失败。

目前还无法在 IOMMU 启用后将其禁用。

IOMMU DMA 重新映射

直到 WDDM 3.0，Dxgkrnl 仅支持通过 1:1 物理重新映射实现 IOMMU 隔离，这意味着 GPU 访问的逻辑页被转换为相同的物理页码。 IOMMU DMA 重新映射允许 GPU 通过不再以 1:1 映射的逻辑地址访问内存。 相反，Dxgkrnl 能够提供逻辑上连续的地址范围。

Dxgkrnl 对 GPU 施加限制：GPU 必须能够访问所有物理内存才能启动设备。 如果 GPU 的最高可见地址不超过系统上安装的最高物理地址，则 Dxgkrnl 将无法初始化适配器。 即将推出的服务器和高端工作站可以配置超过 1 TB 的内存，突破了许多 GPU 常见的 40 位地址空间限制。 DMA 重新映射用作允许 GPU 在此环境中工作的机制。

在启动时，Dxgkrnl 通过将设备的最高可访问物理地址与系统上安装的内存进行比较来确定是否需要逻辑重新映射。 如有必要，DMA 重新映射用于将 GPU 可见边界内的逻辑地址范围映射到系统上的任何物理内存。 例如，如果 GPU 限制为 1 TB，则 Dxgkrnl 将从 [0, 1 TB) 分配逻辑地址，然后可以通过 IOMMU 映射到系统上的任何物理内存。