IOMMU的七种使用模式
1. 取代 GART
GART是AMD64系统的一个功能，主要用于协助图形协处理器对复杂的图形对象进行记忆体地址转换。即使这些对象在实际内存中是分散的，GART使得图形协处理器能够正确访问它们。这种转换包括所有对图形孔的访问，包括主处理器执行的和I/O设备执行的内存读写。要使I/O设备实现类似的转换，主机操作系统需要建立特定的I/O页表，指定所需的转换，然后通知IOMMU进行更新。这样，主处理器和图形设备的所有访问都被映射到和GART一样的内存页。
如果主机操作系统更改页面保护或转换，它需要同时更新处理器页表和I/O页表，然后向处理器和IOMMU发送相应的页失效命令。不同的是，IOMMU在改变I/O页表后需要页失效命令，而处理器在改变叶页表条目时不需要这样的操作。总的来说，IOMMU和GART在这方面相似，但IOMMU提供了更多的保护和转译功能。
2. 取代设备排除向量机制
设备排除向量(DEV)是一种基本的安全机制，引入于AMD64安全虚拟机器(SVM)架构中。DEV类似于IOMMU，它允许将I/O设备归类到不同的区域(domain)。
每个区域都有一个位向量，由物理页面地址索引，用于指示该区域中的I/O设备是否被允许访问相应的物理页面。IOMMU提供保护和转译功能。如果只需要进行保护，软体可以建立身份映射(identity-mapped)的I/O页表，以指定所需的保护措施。
3. 32位到64位传统I/O设备映射
随著大容量内存的普及，传统32位元设备无法随意访问系统内存，导致操作系统需区分低内存和高内存，并进行繁复管理。为了解决问题，某些系统使用GART，但这引入了复杂性和性能成本。相比之下，IOMMU提供更优越的解决方案，全面转译I/O设备地址，并允许各设备独立管理，避免性能问题。
4. 用户模式设备访问
IOMMU在保护和管理I/O设备存取方面扮演关键角色，确保只有透过I/O页表明确映射的页面可以被访问。启用使用者层级的I/O设备存取需要考虑设计，包括DMA的保护和重新映射，以及IOMMU在中断管理上的协助。系统软体需评估是否需要锁定可能被使用者层级进程控制的I/O设备访问的所有页面，而可选的外设页请求（PPR）机制可帮助避免锁定所有页面的需求。
5. 在虚拟机中由访客端存取设备端
IOMMU可用于让未经修改的虚拟机器客户操作系统直接访问I/O设备。这种情况是允许使用者层级访问I/O设备的一种特殊情况。要实现这一点，需要考虑客户端无法通知虚拟机管理程式 (Hypervisor) 哪些页面I/O设备可能访问。客户端的I/O页表映射客户端物理地址到系统物理地址。若虚拟机运行在嵌套分页下，使用与IOMMU兼容的嵌套分页表，则IOMMU可直接与主机CPU页表共享。多个I/O设备可共享相同的DomainID，以提高效能。最后，使用大页分配客户端内存可增加I/O吞吐量，并降低IOMMU翻译快取的抖动风险。
6. 虚拟化IOMMU
IOMMU在虚拟机管理程式（HV）中的软体模拟。HV需要模拟IOMMU配置寄存器和MMIO映射命令寄存器，以及维护实际和虚拟的Device Table。由于性能原因，HV推荐客户端在启动IOMMU命令处理前将批量命令排队到IOMMU的命令缓冲区。此外，HV需建立影子I/O页表以供实际IOMMU使用，同时报告IOMMU可选功能的子集。
7. 虚拟化用户模式设备访问
一个具有双层转译的IOMMU在执行系统保护策略的同时，允许在虚拟化系统中由用户层级进程正确控制任意I/O设备。它确保了系统保护策略的执行，同时允许用户层级进程正确控制I/O设备。IOMMU转译I/O设备的内存访问，只允许访问已由相应I/O页表映射的页面。这样一来，用户进程只能访问其有权限访问的页面，而无需Hypervisor或操作系统的介入。另外，除了地址转译外，启用用户层级I/O设备还需要考虑其他设计方面，例如中断的重新映射。系统软体需要评估是否需要锁定所有可能被用户层级进程控制的I/O设备访问的内存页，并且一些外设装置可能支持ATS协议，可以利用外设页面请求机制而无需锁定所有页面。
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