DMA

DMA는 직접 메모리 접근의 약자로, 중앙 처리 장치의 개입 없이 주변 장치가 주기억장치와 직접 데이터를 교환할 수 있도록 하는 컴퓨터 시스템 기능이다. 이 기술의 주요 목적은 CPU의 부하를 줄이고 시스템 전체의 데이터 전송 효율성을 높이는 것이다.

DMA가 없을 경우, CPU는 모든 데이터 이동을 직접 관리해야 한다. 예를 들어 하드 디스크 드라이브에서 데이터를 읽어 RAM에 저장하는 과정에서 CPU는 각 바이트의 데이터를 일일이 읽고 쓰는 작업을 반복해야 한다. 이는 귀중한 CPU 사이클을 소모하여 본래의 연산 작업 성능을 저하시키는 원인이 된다. DMA는 이러한 중간자 역할을 DMA 컨트롤러라는 전용 하드웨어에 위임함으로써 문제를 해결한다.

DMA의 작동은 일반적으로 CPU의 초기 설정 단계를 거친다. CPU는 전송할 데이터의 원본 주소, 목적지 주소, 데이터 크기 등의 정보를 DMA 컨트롤러에 설정해 준다. 설정이 완료되면 DMA 컨트롤러는 메모리 버스의 제어권을 인수하여 데이터 전송을 독립적으로 수행한다. 전송이 완료되면 DMA 컨트롤러는 인터럽트를 통해 CPU에게 작업 완료를 알린다. 이 과정에서 CPU는 데이터 전송 동안 다른 작업을 병행할 수 있게 되어 시스템 성능이 향상된다.

DMA는 CPU의 개입 없이 메모리와 주변기기 간에 데이터를 직접 전송하는 기술이다. 이 방식은 CPU가 데이터 전송 과정에서 수행하던 작업을 대신 처리함으로써 시스템의 전반적인 효율성을 높이는 것을 목표로 한다.

CPU를 통한 전통적인 데이터 전송 방식에서는 CPU가 모든 데이터 이동을 직접 제어하고 관리해야 한다. 예를 들어, 하드 디스크에서 메모리로 파일을 읽어올 때, CPU는 디스크 컨트롤러로부터 데이터를 읽어와서 다시 메모리에 쓰는 작업을 반복적으로 수행한다. 이 과정에서 CPU는 본래의 연산 작업을 수행할 수 없게 되어 시스템 성능이 저하된다.

반면, DMA 방식을 사용하면 CPU는 전송의 시작과 끝만을 지시하면 된다. DMA 컨트롤러가 지정된 메모리 영역과 주변 장치 사이에서 데이터 블록을 직접 이동시킨다. 이 동안 CPU는 다른 명령어를 실행하거나 대기 상태에 들어갈 수 있어 자원 활용도가 크게 향상된다. 데이터 전송 속도가 매우 빠른 현대의 저장 장치나 네트워크 카드에서는 이러한 차이가 시스템 성능에 결정적인 영향을 미친다.

요약하면, CPU 방식은 전송 과정 전체에 CPU가 관여하는 반면, DMA 방식은 CPU의 개입을 최소화하고 전용 컨트롤러가 데이터 전송을 담당한다는 점에서 근본적인 차이를 보인다. 이로 인해 DMA는 CPU의 부하를 줄이고 입출력 병목 현상을 완화하는 핵심 기술로 자리 잡았다.

DMA 컨트롤러는 DMA 전송을 관리하는 전용 하드웨어 모듈이다. 이 컨트롤러는 CPU의 개입 없이 메모리와 I/O 장치 사이의 데이터 이동을 직접 제어하는 역할을 담당한다. 시스템 내에서 DMA 컨트롤러는 하나의 독립적인 프로세서처럼 동작하며, CPU로부터 전송 명령을 받으면 그 후속 작업을 스스로 수행한다.

DMA 컨트롤러의 주요 역할은 다음과 같다.

* 전송 제어: 전송할 데이터의 시작 메모리 주소, 데이터 블록의 크기(워드 수), 전송 방향(읽기/쓰기)을 설정한다.

* 주소 관리: 각 데이터 전송이 완료될 때마다 메모리 주소를 증가시키고, 남은 전송 횟수를 감소시킨다.

* 동기화 및 신호 처리: I/O 장치로부터 DREQ 신호를 받아 전송을 시작하고, 완료 시 CPU에게 DACK 및 인터럽트 신호를 보낸다.

초기 시스템에서는 별도의 칩(예: 인텔 8237)으로 존재했지만, 현대의 컴퓨터 시스템에서는 CPU나 칩셋, SoC 내부에 통합되어 있다. DMA 컨트롤러는 일반적으로 여러 개의 독립적인 DMA 채널을 제공하여, 서로 다른 주변 장치들이 동시에 또는 교대로 DMA 전송을 사용할 수 있게 한다.

DMA 컨트롤러가 데이터 전송을 수행하는 일련의 과정을 DMA 전송 사이클이라고 한다. 이 사이클은 일반적으로 CPU의 개입 없이 시스템 버스를 통해 직접 메모리와 주변 장치 사이에서 데이터를 이동시키는 단계들로 구성된다.

전송 사이클은 크게 요청, 승인, 전송, 종료의 네 단계로 나뉜다. 먼저, 주변 장치(또는 해당 장치의 컨트롤러)가 DMA 요청 신호를 DMA 컨트롤러로 보낸다. DMA 컨트롤러는 이 요청을 받아 CPU에게 버스 사용권을 요청하는 HOLD 신호를 발생시킨다. CPU는 현재 실행 중인 버스 사이클을 완료한 후 버스 제어권을 양도하며, 이에 대한 응답으로 HLDA 신호를 DMA 컨트롤러로 보낸다. 버스 제어권을 얻은 DMA 컨트롤러는 주변 장치에 DMA 승인 신호를 보내고, 실제 데이터 전송을 시작한다.

전송 단계에서 DMA 컨트롤러는 메모리 주소와 전송할 워드 수를 관리한다. 각 워드가 전송될 때마다 메모리 주소 레지스터는 증가(또는 감소)하고, 워드 카운트 레지스터는 감소한다. 이 과정은 다음과 같이 표로 요약할 수 있다.

전송이 완료되면, 즉 워드 카운트 레지스터가 0에 도달하면 DMA 컨트롤러는 전송 종료를 알리는 신호를 주변 장치에 보내고, HOLD 신호를 비활성화하여 버스 제어권을 CPU에게 반환한다. 동시에 CPU에게 인터럽트를 발생시켜 전송 작업이 완료되었음을 알리기도 한다. 이렇게 CPU는 데이터 이동 작업에서 해방되어 다른 연산 작업을 계속 수행할 수 있게 된다.

버스트 모드는 DMA 컨트롤러가 한 번의 요청으로 데이터 블록 전체를 연속적으로 전송하는 방식이다. 이 모드에서는 DMA 컨트롤러가 시스템 버스의 제어권을 획득한 후, 모든 데이터 전송이 완료될 때까지 버스 제어권을 계속 유지한다. 전송이 끝나면 컨트롤러는 제어권을 CPU에 반환한다.

이 방식은 대량의 데이터를 빠르게 이동해야 하는 상황에 매우 효율적이다. 버스 사용권을 얻고 반환하는 데 따르는 오버헤드가 한 번만 발생하기 때문에, 작은 데이터를 여러 번 나누어 전송하는 것보다 전체 처리 속도가 크게 향상된다. 따라서 하드 디스크 드라이브나 네트워크 인터페이스 컨트롤러에서 연속된 섹터나 패킷 데이터를 메모리로 읽어오는 작업에 널리 사용된다.

버스트 모드의 주요 특징은 다음과 같다.

그러나 전송이 진행되는 동안 CPU가 버스에 접근할 수 없게 되어 시스템의 응답성이 일시적으로 저하될 수 있다는 단점도 있다. 이는 특히 긴 버스트 전송이 발생할 때 두드러지며, 실시간 처리가 요구되는 시스템에서는 주의 깊게 설계해야 한다.

사이클 스틸링 모드는 DMA 컨트롤러가 CPU의 메모리 버스 사용 주기를 "훔쳐서" 데이터 전송을 수행하는 방식이다. 이 모드에서는 DMA 전송이 CPU의 명령어 실행 사이클 중 버스가 사용되지 않는 빈 틈새 시간을 활용하여 이루어진다. 따라서 CPU의 작업 처리와 DMA 전송이 물리적으로 동시에 발생하는 것처럼 보이지만, 실제로는 버스 사용 시간을 교대로 나누어 사용한다.

이 방식의 가장 큰 장점은 CPU의 성능 저하를 최소화한다는 점이다. DMA 전송이 CPU의 유휴 버스 사이클을 이용하기 때문에, CPU는 자신의 작업을 계속 수행하면서도 메모리와 주변 장치 간의 데이터 이동을 배경에서 처리할 수 있다. 그러나 버스 사용 가능 시간에 의존하기 때문에 전송 속도가 비교적 느리고 예측 불가능할 수 있다. 데이터 전송률은 CPU가 버스를 얼마나 자주 사용하는지에 따라 크게 좌우된다.

사이클 스틸링 모드는 실시간性或이 높지 않은 응용 분야나, CPU의 처리 성능을 최대한 확보해야 하는 시스템에서 주로 사용된다. 예를 들어, 입출력 빈도가 높지 않은 일반적인 개인용 컴퓨터 환경에서 하드 디스크 드라이브로부터의 데이터 읽기 등에 적합하다. 다음은 주요 DMA 전송 모드 간의 특징을 비교한 표이다.

투명 모드는 DMA 전송이 CPU의 메모리 접근 사이클 사이에 끼어들어, CPU의 작업에 전혀 방해를 주지 않는 방식으로 데이터를 전송하는 모드이다. 다른 모드들과 달리, CPU가 메모리 버스를 사용하지 않는 순간을 정확히 포착하여 그 틈에만 DMA 전송을 수행한다. 따라서 CPU의 성능 저하가 전혀 발생하지 않는다는 점이 가장 큰 특징이다.

그러나 이 방식은 CPU가 메모리 버스를 거의 항상 사용하는 현대의 고성능 시스템에서는 실용적이지 않다. CPU가 버스를 사용하지 않는 순간이 매우 짧고 불규칙하게 발생하기 때문에, 효율적인 데이터 전송을 보장하기 어렵다. 전송 속도가 매우 느려질 수밖에 없다. 따라서 투명 모드는 CPU 활동이 상대적으로 적고 예측 가능한 초기의 단순한 시스템에서 주로 사용되었다.

아래 표는 세 가지 주요 DMA 전송 모드의 특징을 비교한 것이다.

결과적으로, 투명 모드는 이론적으로는 이상적이지만, 실제 성능 요구사항을 충족시키지 못해 현대 컴퓨터 시스템에서는 거의 사용되지 않는다. 대신 사이클 스틸링 모드나 버스트 모드가 CPU 효율성과 전송 성능 사이의 균형을 이루는 방식으로 더 널리 채택되었다.

DMA 컨트롤러는 일반적으로 여러 개의 독립적인 DMA 채널을 제공합니다. 각 채널은 한 번에 하나의 DMA 전송 작업을 처리할 수 있는 하드웨어 경로입니다. 채널 할당은 시스템에서 발생하는 다양한 입출력 장치들이 DMA 리소스를 효율적으로 공유할 수 있도록 관리하는 과정입니다.

채널 할당 방식은 크게 정적 할당과 동적 할당으로 나눌 수 있습니다. 정적 할당은 시스템 설계 또는 부팅 시점에 특정 주변기기를 특정 DMA 채널에 고정적으로 연결하는 방식입니다. 예를 들어, 플로피 디스크 드라이브는 전통적으로 DMA 채널 2를 사용하도록 설계되었습니다. 이 방식은 구성이 단순하고 예측 가능하지만, 유연성이 부족합니다. 동적 할당은 운영 체제나 장치 드라이버가 필요에 따라 DMA 채널을 장치에 할당하고 해제하는 방식입니다. 이는 시스템 자원을 더 효율적으로 활용할 수 있게 해주지만, 할당 및 충돌 관리에 대한 오버헤드가 발생합니다.

다음은 전통적인 ISA 버스 시스템에서 흔히 사용되던 정적 채널 할당의 예시입니다.

현대의 PCI 버스나 PCI 익스프레스 기반 시스템에서는 플러그 앤 플레이 기술이 채널 할당을 자동으로 처리합니다. 시스템 BIOS와 운영 체제가 하드웨어를 검색하고, 각 장치에 필요한 DMA 채널을 자동으로 구성하며, 자원 충돌을 해결합니다. 이로 인해 사용자가 수동으로 점퍼 설정이나 구성 소프트웨어를 통해 채널을 할당해야 하는 번거로움이 크게 줄었습니다.

DMA 컨트롤러는 여러 개의 DMA 채널을 동시에 관리할 수 있으며, 둘 이상의 채널이 전송 요청을 보낼 경우 미리 정해진 규칙에 따라 우선순위를 결정한다. 우선순위 결정 방식은 크게 고정 우선순위 방식과 회전 우선순위 방식으로 나뉜다.

고정 우선순위 방식에서는 각 채널에 영구적으로 고정된 우선순위가 부여된다. 일반적으로 채널 번호가 낮을수록 높은 우선순위를 가지는 경우가 많다. 예를 들어, 채널 0의 요청은 채널 1의 요청보다 항상 먼저 서비스된다. 이 방식은 구현이 단순하고 예측 가능한 장점이 있지만, 낮은 우선순위 채널의 요청이 오랫동안 대기할 수 있는 기아 상태가 발생할 수 있다.

회전 우선순위 방식은 우선순위가 동적으로 변하는 방식이다. 가장 일반적인 형태는 라운드 로빈 방식으로, 최근에 서비스를 받은 채널의 우선순위가 가장 낮아지고, 그 다음 채널이 가장 높은 우선순위를 얻는다. 이 방식은 모든 채널에 공정하게 서비스 기회를 제공하여 기아 상태를 방지할 수 있지만, 실시간 응답성이 요구되는 고우선순위 장치의 처리에는 불리할 수 있다. 일부 고급 DMA 컨트롤러는 프로그래머가 두 방식을 선택하거나, 특정 채널의 우선순위를 별도로 설정할 수 있는 유연성을 제공하기도 한다.

DMA의 가장 큰 장점은 CPU의 개입 없이 데이터 전송을 수행함으로써 시스템의 전반적인 성능을 향상시킨다는 점이다. CPU는 데이터 전송 작업에서 해방되어 연산이나 다른 작업에 집중할 수 있게 되며, 이로 인해 시스템의 처리량이 증가하고 응답 시간이 단축된다. 특히 대용량 데이터를 빠르게 이동해야 하는 디스크 입출력, 그래픽 카드의 프레임 버퍼 갱신, 네트워크 카드의 패킷 수신/송신 등에서 성능 향상 효과가 두드러지게 나타난다.

성능 향상은 주로 시스템 버스 사용 효율의 극대화에서 비롯된다. DMA 전송은 일반적으로 버스트 모드로 이루어지며, 이는 한 번의 버스 사용 권한 획득으로 여러 바이트의 데이터를 연속적으로 전송하는 방식이다. CPU가 개별적으로 데이터를 옮기는 방식에 비해 버스 사용 권한을 획득하고 해제하는 오버헤드가 현저히 줄어들어 버스 대역폭을 훨씬 효율적으로 사용할 수 있다. 결과적으로 데이터 전송 속도가 빨라지고, 버스 경합이 감소하여 시스템의 전반적인 반응성이 좋아진다.

다음 표는 DMA 사용 시 예상되는 주요 성능 이점을 정리한 것이다.

이러한 성능 향상은 실시간 시스템이나 고성능 컴퓨팅 환경에서 매우 중요하다. 예를 들어, 실시간 오디오 처리 시 DMA는 오디오 샘플 데이터를 중단 없이 안정적으로 공급하여 음질 저하나 끊김 현상을 방지하는 데 결정적인 역할을 한다.

DMA를 시스템에 도입하면 CPU의 부하를 줄이고 전반적인 성능을 향상시킬 수 있지만, 시스템 설계와 관리 측면에서 추가적인 복잡성을 유발합니다.

하드웨어 설계 단계에서는 DMA 컨트롤러를 메인보드나 시스템 온 칩에 통합하고, 메모리 버스 및 주변 장치와의 인터페이스를 설계해야 합니다. DMA 컨트롤러는 CPU와 동일한 메모리 공간에 접근해야 하므로, 메모리 주소 라인과 데이터 라인을 공유하는 방식이 필요합니다. 이 과정에서 버스 중재 로직을 구현하여 CPU와 DMA 컨트롤러가 메모리 버스를 순차적으로 사용하도록 조정해야 합니다. 또한, 여러 DMA 채널이 동시에 활성화될 경우 발생할 수 있는 충돌을 방지하기 위한 우선순위 메커니즘도 설계에 포함시켜야 합니다.

소프트웨어 및 드라이버 수준에서는 복잡성이 더욱 증가합니다. 운영체제나 장치 드라이버는 DMA 전송을 시작하기 전에 물리적으로 연속된 메모리 버퍼를 할당하고, 그 주소를 DMA 컨트롤러에 설정해야 합니다. 가상 메모리 시스템에서는 가상 주소를 물리 주소로 변환하는 작업이 추가로 필요합니다. 전송이 완료되면 인터럽트를 통해 CPU에 알리고, 사용한 버퍼를 적절히 해제하는 관리 로직도 구현해야 합니다. 잘못된 주소 설정이나 동기화 실패는 시스템 불안정이나 데이터 손상으로 이어질 수 있습니다.

또한, DMA는 메모리와 주변 장치를 직접 제어하므로 보안 취약점이 될 수 있습니다. 악의적인 장치나 소프트웨어가 DMA를 이용해 시스템 메모리의 중요 데이터를 불법적으로 읽거나 쓰는 공격[4]을 방지하기 위해, IOMMU 같은 메모리 보호 유닛을 추가로 도입해야 할 수 있습니다. 이는 시스템 비용과 설계 난이도를 더욱 높이는 요소입니다.

DMA는 저장 장치와 주기억장치 간의 대규모 데이터 블록 전송에서 핵심적인 역할을 한다. 특히 하드 디스크 드라이브, 솔리드 스테이트 드라이브, 광학 디스크 드라이브와 같은 대용량 보조기억장치에서 데이터를 읽거나 쓸 때 CPU의 개입 없이 직접 메모리 접근이 이루어지도록 한다. 이로 인해 파일 로딩, 시스템 부팅, 데이터베이스 접근과 같은 작업의 처리 속도와 시스템 전체의 반응성이 크게 향상된다.

주요 저장 장치 인터페이스 표준들은 대부분 DMA 기능을 지원한다. 예를 들어, PATA와 SATA 인터페이스를 사용하는 하드 디스크는 Ultra DMA 모드를 통해 높은 전송 속도를 달성한다. NVMe 규격은 PCI 익스프레스 버스를 통해 NAND 플래시 메모리에 직접 접근하는 데 최적화된 DMA 메커니즘을 사용하여 레이턴시를 극도로 낮추고 처리량을 극대화한다.

이러한 DMA 활용은 운영 체제의 가상 메모리 시스템과도 밀접하게 연관된다. 페이징이나 스와핑 작업 시 디스크와 RAM 사이에 페이지를 교환할 때 DMA가 사용되면, CPU는 다른 프로세스를 실행하는 데 전념할 수 있다. 결과적으로 저장 장치 인터페이스에서의 DMA 적용은 입출력 병목 현상을 줄이고 시스템의 전반적인 처리량을 증가시키는 데 기여한다.

네트워크 인터페이스 컨트롤러는 DMA를 활용하여 네트워크 패킷의 송수신 효율을 극대화하는 대표적인 장치이다. 운영 체제의 네트워크 스택이 모든 패킷 데이터를 직접 복사하는 것은 높은 CPU 부하를 초래하므로, NIC는 DMA 컨트롤러를 통해 시스템 메모리와 직접 데이터를 교환한다.

수신 동작에서는 NIC가 패킷을 받으면, 운영 체제가 미리 할당해 둔 메모리 버퍼의 위치(DMA 주소)를 NIC의 DMA 컨트롤러에 알려준다. 이후 NIC는 CPU의 개입 없이 패킷 데이터를 해당 메모리 버퍼로 직접 전송한다. 전송이 완료되면 NIC는 인터럽트를 발생시켜 CPU에게 알리고, CPU는 메모리에 적재된 패킷 데이터를 처리한다. 송신 동작도 유사하게, CPU는 전송할 데이터를 메모리 버퍼에 준비한 후 NIC에 그 위치를 알려주면, NIC의 DMA가 데이터를 읽어 네트워크로 내보낸다.

이 방식을 통해 고속 네트워크 환경에서도 CPU는 패킷 데이터의 복사 작업에서 벗어나, 실제 네트워크 프로토콜 처리와 애플리케이션 로직 실행에 집중할 수 있다. 특히 기가비트 이상의 고속 이더넷이나 인피니밴드와 같은 저지연 네트워크에서는 DMA가 필수적인 기술로 자리 잡았다.

DMA는 GPU와 주 메모리 사이의 대규모 텍스처 데이터나 프레임 버퍼 전송에 필수적이다. CPU의 개입 없이 고속으로 데이터를 이동시켜 실시간 렌더링 성능을 보장한다. 또한, 사운드 카드에서 DAC로의 오디오 샘플 스트리밍, 비디오 캡처 카드에서 메모리로의 영상 데이터 수집에도 널리 사용된다.

아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환하는 ADC 과정이나 그 반대인 DAC 과정에서 생성되는 연속적인 데이터 흐름은 DMA 없이는 효율적으로 처리하기 어렵다. DMA 컨트롤러는 이러한 스트리밍 데이터를 직접 메모리의 지정된 버퍼 영역으로 전송하거나, 버퍼에서 출력 장치로 내보내 CPU의 부하를 크게 줄인다.

고해상도 비디오 편집이나 실시간 인코딩 작업에서는 여러 소스로부터의 대용량 미디어 데이터가 지속적으로 시스템 메모리로 유입되어야 한다. DMA는 이러한 데이터 경로를 관리하며, CPU가 전송 작업을 관리하지 않고도 데이터가 준비되는 대로 처리할 수 있도록 한다. 이는 멀티태스킹 환경에서 미디어 애플리케이션의 반응성을 유지하는 데 결정적인 역할을 한다.

RDMA(원격 직접 메모리 접근)는 네트워크를 통해 한 컴퓨터의 메모리에서 다른 컴퓨터의 메모리로 데이터를 직접 전송하는 기술이다. 기존의 DMA가 시스템 버스를 통해 같은 컴퓨터 내의 주기억장치와 주변기기 사이에서 CPU의 개입 없이 데이터를 이동시키는 것과 달리, RDMA는 네트워크 어댑터(HCA 또는 RNIC)를 활용하여 원격 시스템의 메모리에 직접 접근하여 데이터를 읽거나 쓴다. 이 과정에서 양쪽 시스템의 운영 체제 커널과 CPU는 데이터 복사 작업에 관여하지 않는다.

RDMA의 주요 동작 모드는 메모리에서 메모리로의 직접 전송을 가능하게 하는 WRITE와 READ, 그리고 수신 측에 메시지 도착을 알리는 SEND가 있다. 이러한 작업은 큐 페어(QP)라는 통신 채널을 통해 관리된다. 사용자 공간의 응용 프로그램은 작업 요청(WQE)을 제출 큐에 넣고, 완료 큐에서 작업 완료 신호를 확인한다. 이 구조는 데이터 경로에서 커널의 개입을 완전히 제거하여 매우 낮은 지연 시간과 높은 대역폭, 그리고 최소한의 CPU 오버헤드를 실현한다.

RDMA는 인피니밴드, RoCE(RDMA over Converged Ethernet), iWARP 같은 프로토콜을 통해 구현된다. 이 기술은 고성능 컴퓨팅(HPC), 분산 데이터베이스, 하이퍼컨버지드 인프라(HCI), 그리고 머신 러닝 클러스터와 같이 극도의 네트워크 성능이 요구되는 분야에서 핵심 인프라로 사용된다.

IOMMU는 입출력 메모리 관리 장치의 약자로, DMA를 사용하는 장치가 시스템 메모리에 접근하는 것을 관리하고 제어하는 하드웨어 장치이다. 기존 DMA는 장치가 물리 메모리 주소에 직접 접근할 수 있도록 허용하여, 잘못 구성되거나 악의적인 장치가 운영 체제나 다른 응용 프로그램의 메모리 영역을 침범할 수 있는 보안 취약점을 내포했다. IOMMU는 이러한 문제를 해결하기 위해 가상 메모리 주소 체계를 DMA 작업에 도입한다. 즉, 장치가 사용하는 물리 주소를 시스템의 가상 주소로 변환하여, 장치가 허용된 메모리 영역만 접근하도록 강제한다.

IOMMU의 주요 보안 기능은 메모리 보호와 장치 격리이다. 운영 체제는 IOMMU를 통해 각 DMA 장치에 대해 접근 가능한 메모리 영역(예: 특정 버퍼)을 명시적으로 지정할 수 있다. 이는 한 장치의 오류나 공격이 시스템 전체 메모리를 오염시키는 것을 방지한다. 또한, 가상화 환경에서는 게스트 운영 체제가 DMA 장치를 직접 제어할 수 있도록 하면서도, 호스트 시스템의 메모리나 다른 가상 머신의 메모리를 보호하는 데 필수적이다. IOMMU는 장치가 사용하는 주소를 게스트의 가상 주소 공간에서 호스트의 물리 주소로 안전하게 변환해준다.

IOMMU 구현의 대표적인 예로는 인텔의 VT-d 기술과 AMD의 AMD-Vi 기술이 있다. 이들은 DMA 재매핑을 수행하여 보안을 강화한다. DMA 보안 문제는 사이드 채널 공격이나 DMA 공격 도구를 통한 직접 메모리 접근 위협으로 인해 더욱 중요해졌다. 따라서 현대 시스템 설계에서는 성능 향상만을 위한 DMA 도입이 아니라, IOMMU와 같은 보호 메커니즘을 함께 고려하는 것이 표준이 되었다.