虚拟化平台主流hypervisor工作原理分析

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我是靠谱客的博主秀丽未来，最近开发中收集的这篇文章主要介绍虚拟化平台主流hypervisor工作原理分析，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

1 GRUB简介
1.1 MBR和PBR
MBR分为GRUB.MBR和DOS.MBR。

由于硬盘上扇区从偏移0到偏移62属于同一个磁道0，虽然DOS.MBR仅占用一个扇区，但是需要将DOS.MBR后面的偏移1到偏移62保留，所以磁盘上第一个分区的第一个扇区是从偏移63开始的。fbinst软件会保留1-16064扇区，等于硬盘1个柱面的大小255 x 63 x 512 = 8MB，所以第一个分区是从扇区16065开始的。

USB-ZIP和USB-FDD会将U盘的第一个扇区格式化成DOS.PBR而不是DOS.MBR。
USB-FDD和USB-ZIP的来历：软盘的容量小，没有分区结构，所以软盘是没有MBR的，整个软盘只有一个分区，第一个扇区就是PBR；FDD和ZIP模式在DOS下启动后U盘的盘符是A。

1.2 GRUB
- GRUB又叫OS Loader；在Android系统上，kernelflinger是OS Loader的一个EFI应用
- GRUB镜像组成：GRUB.MBR（boot.img）, 硬盘扇区offset 1 到offset 62放置GRUB的core.img，/boot分区的boot/grub/grub.cfg

1.3 创建USB-FDD或者USB-ZIP格式U盘步骤
1）Android上：dd if=/dev/zero of=/dev/block/sda bs=512 count=4
2）Windows上：快速格式化该U盘，这个U盘就只有PBR扇区而没有MBR扇区

2 IOMMU
2.1 ARM SMMU
iommus = <&apps_smmu 0x300 0>：中间的数字0x300就是设备的Stream ID，执行DMA请求时，SMMU根据Stream ID找到设备在DDR中的STE（Stream Table Entry）。PCI的Stream ID等于BDF号。
SSID：Substream ID。ste.S1CDMax为0表示STE只支持一个CD（Context Descriptor），不需要使用SSID，如果S1CDMax不为0，那么支持的CD数目是2 ^ S1CDMax。当往STE中写入S1DSS = SSID0时就禁止了SSID功能。
TBU: Translation Buffer Unit for TLB
TCU: Translation Control Unit for Page Table Walks

2.2 x86 IOMMU
When a PCI device is assigned, KVM/QEMU call intel_iommu_page_mapping() to build VT-d DTE (Device Table Entry) to map the entire guest memory.

Kernel parameter intel_iommu=pt to set up pass through mode in context mapping entry. This disables DMAR in Linux kernel; but KVM still runs on VT-d and interrupt remapping still works.

In this mode, kernel uses swiotlb for DMA API functions but other VT-d functionalities are enabled for KVM. KVM always uses multi level translation page table in VT-d. By default, pass though mode is disabled in kernel.

1）在虚拟化场景下，直通设备的中断是无法直接投递到Guest中的，而是由IOMMU截获中断，先将其中断映射到host的某个中断上，然后再重定向（由VMM写VMCS寄存器中的32 bits VM-entry interruption-information字段）到Guest内部。
2）IOMMU IRTE（Interrupt Remapping Table Entry，128bit）中的Destination ID字段指明中断要投递的CPU的APIC ID信息，vector字段指明中断号，VMM会为每个中断源分配一个IRTE，并且把guest分配的vector号填入到IRTE的vector域。
3）在进入guest执行前，kvm是关中断的，在VM-Exit完全恢复了host上下文后，才开中断。关中断是在vcpu_enter_guest函数中调用了local_irq_disable，开中断是在这个函数从kvm_x86_ops->run返回后（即VM-Exit后）调用local_irq_enable。
4）guest vcpu执行时，物理中断发生，导致VM-Exit，但是此时是关中断的，所以硬件不会响应中断，中断处于pending，在开中断后，硬件发现pending中断并开始响应，此时已经在host上下文中，IDT（Interrupt Descriptor Table）已经指向host的IDT，物理中断由host handler来处理。

2.3 ARM SMMU showcase
Master IP - vGEN - SMMU (S1, DVA - IPA) - S2MPU (S2, IPA = PA) - DRAM
vGEN runs in EL2 Hypervisor.
SMMU runs in EL1 Linux.
S2MPU runs in EL2 Hypervisor.

3 QNX
3.1 hypervisor 配置文件
android.qvmconf

3.2 qvm process
1）qvm透传PCI/PCIe MMIO方法是使用mmap()将其BAR所指向的物理内存映射到自己的进程地址空间中，并注册到MMU EPT中，给其上的虚拟机使用（譬如Android）。
2）qvm进程中注册PCI/PCIe ISR，物理中断产生时，qvm将中断inject到vCPU（参考Linux QEMU vfio_msihandler）。
3）PCI/PCIe配置空间没有透传（参考QEMU VFIO quirk机制），所以Android虚拟机访问PCI/PCIe配置空间时，会进入qvm进程中，qvm使用QNX的API读写数据后，再VMEntry进入Android。
4）KVM arch/arm64/kvm/hyp/switch.c
kvm_vcpu_run_vhe()
vhe: Virtualization Host Extension

3.3 arm64 gpio interrupt pass through
qcom sa6155 gpio能够pass through的中断号只有8个，从241到248，这些中断号不是使用gpio_to_irq()转换而来的。

4 ACRN for x86
4.1 基本介绍
ACRN是Type I型hypervisor。hypervisor的软件功能和micro kernel OS的功能很是相似，所以需要将hypervisor中的设备模拟代码从hypervisor中独立出来放到Service OS中。

内存地址虚拟化采用MMU查找EPT表实现；DMA请求地址虚拟化则有IOMMU查找IOMMU page table实现（GPA->HPA）。

ACRN启动流程：UEFI -> GRUB (Multiboot，又叫OS Loader；占用GRUB.MBR、扇区偏移1到偏移62；扇区偏移63是硬盘第一个分区的DBR) -> ACRN (acrn.efi，GRUB的剩余部分占用的分区boot) -> Service OS -> User OS

4.2 工作流程
1）hypervisor VM-Exit
- Guest指令调用触发hypervisor trap
- acrn-hypervisor/hypervisor/common/hv_main.c，void vcpu_thread(struct sched_object *obj)
- acrn-hypervisor/hypervisor/arch/x86/guest/vmexit.c
- 如果是pass through（初始化虚拟机时，devicemodel需要将Guest OS使用的PCIe BDF号映射到hypervisor中的PCIe BDF号），那么直接路由到真实硬件；否则通过中断触发SOS中的vhm驱动
2）vhm
- vhm（Virtio and Hypervisor Monitor）驱动运行在Service OS（Clear Linux）中
- 分析是要vhm驱动处理还是devicemodel处理（适用于物理设备共享），如果需要devicemodel处理，就唤醒devicemodel APP
3）devicemodel - 类似于QEMU
- acrn-hypervisor/devicemodel
- 是一个二进制daemon，运行在Service OS（Clear Linux）中，模拟Guest OS中驱动访问的物理寄存器和中断等关联到的硬件。
- 驱动节点：/dev/acrn_vhm
- 处理完毕通过vhm调用hypercall API返回hypervisor
4）hypervisor VM-Entry
- acrn-hypervisor/hypervisor/common/hypercall.c
- 返回Guest OS对应指令

4.3 驱动模型
1）DE - Device Emulation
2）PV - Paravirtualization
3）PT - Pass Through for PCI/PCIe
PCI/PCIe configuration（0xCF8/CFC）使用devicemodel emulation；其它PCI/PCIe地址直接使用passthrough。
PCIe设备被passthrough后在虚拟机中的BDF号，不一定等于其物理BDF号。

4.4 ACRNTrace和ACRNLog
hcall_setup_sbuf()
@ hypervisor/debug/hypercall.c

Tracing and Logging high-level design
https://projectacrn.github.io/latest/developer-guides/hld/hld-trace-log.html

4.5 vm reboot命令的处理
acrn-hypervisor/devicemodel/arch/x86/pm.c
acrn-hypervisor/doc/developer-guides/hld/hld-security.rst
vm_set_suspend_mode(VM_SUSPEND_SYSTEM_RESET);

5 GPU虚拟化
5.1 x86_64
1) AMD SR-IOV
2) Intel GVT-g
Intel采用了Mediated Pass-Through（mdev），其实现比SR-IOV GPU简单，因为需要trap VM中的vGPU的MMIO访问，所以会有性能损失。

5.2 iMX8
iMX8有2个GPU GC7000。

5.3 Samsung 8nm EA9
Mali MP12: 12 clusters, is an integrated high-end graphics card, it was introduced in October 2017
Mali MP3: 3 clusters, is an integrated mid-range graphics card, it was introduced early 2018
Samsung EA9 includes 3 GPU, GPU00 (MP3, Gondul) and GPU01 (MP3) located in Linux, GPU1 (MP12, Norr) located in Android VM.

6 Abbreviations
AFE：USB PHY Analog Front-end
BDF：PCIe Bus:Dev:Func；格式为DDDD:bb:dd.f，其中DDDD表示PCIe domain，通常值为0000
CSE：Converged Security Engine，Intel融合安全引擎
DRHD：DMA Remapping Hardware Unit Definition
EPT：Extended Page Table
ESXi：Vmware Elastic Sky X integrated
GPA：Guest Physical Addresses
HECI：Host Embedded Controller Interface，Host OS和x86 ME的通信接口，只有4pin，分别是REQ#、GNT#、TX和RX，目的是为了代替SMBus
HVA：Host Virtual Addresses
HPA：Host Physical Addresses
GSI：Global System Interrupt。它为系统中每个中断源指定一个唯一的中断号；有3个IOAPIC：IOAPIC0~2。IOAPIC0有24个管脚，其GSI base为0，每个管脚的GSI=GSI base + pin，故IOAPIC0的GSI范围为[0~23]。IOAPIC1有16个管脚，GSI base为24，GSI范围为[24,39]，依次类推。ACPI要求ISA的16个IRQ应该被identify map到GSI的[0,15]。IRQ和GSI在APIC系统中常常被混用，实际上对15以上的IRQ，它和GSI相等
KVM：Kernel-based Virtual Machine
MCP: Linux Master Compositor
P2SB：Primary to Sideband bridge
PXE：Preboot Execution Environment
Qemu：Quick EMUlator，读作kee moo
VMCS：x86 Virtual-Machine Control Structure