【原創】Linux虛擬化KVM-Qemu分析（六）之中斷虛擬化

LoyenWang發表於2020-11-21
Linux

背景

  • Read the fucking source code! --By 魯迅
  • A picture is worth a thousand words. --By 高爾基

說明：

  1. KVM版本：5.9.1
  2. QEMU版本：5.0.0
  3. 工具：Source Insight 3.5， Visio
  4. 文章同步在部落格園：https://www.cnblogs.com/LoyenWang/

1. 概述

本文會將ARM GICv2中斷虛擬化的總體框架和流程講清楚，這個曾經困擾我好幾天的問題在被捋清的那一刻，讓我有點每有會意，欣然忘食的感覺。

在講述中斷虛擬化之前，我們應該對中斷的作用與處理流程有個大致的瞭解：

  • 中斷是處理器用於非同步處理外圍裝置請求的一種機制；
  • 外設通過硬體管腳連線在中斷控制器上，並通過電訊號向中斷控制器傳送請求；
  • 中斷控制器將外設的中斷請求路由到CPU上；
  • CPU（以ARM為例）進行模式切換（切換到IRQ/FIQ），儲存Context後，根據外設的中斷號去查詢系統中已經註冊好的Handler進行處理，處理完成後再將Context進行恢復，接著之前打斷的執行流繼續move on；
  • 中斷的作用不侷限於外設的處理，系統的排程，SMP核間互動等，都離不開中斷；

 
中斷虛擬化，將從中斷訊號產生到路由到vCPU的角度來展開，包含以下三種情況：

  1. 物理裝置產生中斷訊號，路由到vCPU；
  2. 虛擬外設產生中斷訊號，路由到vCPU；
  3. Guest OS中CPU之間產生中斷訊號（IPI中斷）；

本文將圍繞ARM-GICv2來描述，因此也不會涉及到MSI以及ITS等特性，帶著問題出發吧。

2. VGIC

  • 在講中斷虛擬化之前，有必要先講一下ARMv8中Hypervisor的架構，因為涉及到不同的Exception Level的切換；
  • 在我閱讀原始碼時，根據程式碼去匹配某篇Paper中的理論時，出現了一些理解偏差，曾一度困擾了我好幾天;

  • Non-VHE
    1. Linux ARM架構的Hypervisor在引入時，採用的是左圖中的系統架構，以便能充分利用Linux現有的機制，比如scheduler等；
    2. KVM/ARM的實現採用了split模式，分成Highvisor和Lowvisor，這樣可以充分利用ARM處理器不同模式的好處，比如，Highvisor可以利用Linux Kernel的現有機制，而Lowvisor又可以利用Hyp Mode的特權。此外，帶來的好處還包含了不需要大量修改Linux核心的程式碼，這個在剛引入的時候是更容易被社群所接受的；
    3. Lowvisor有三個關鍵功能：1）對不同的執行Context進行隔離與保護，比如VM之間不會相互影響；2）提供Guest和Host的相互切換，也就是所謂的world switch；3）提供一個虛擬化trap handler，用於處理trap到Hypervisor的中斷和異常；

 

  • VHE
    1. VHE: Virtualization Host Extensions，用於支援Host OS執行在EL2上，Hypervisor和Host OS都執行在EL2，可以減少Context切換帶來的開銷；
    2. 目前Cortex-A55, Cortex-A75, Cortex-A76支援VHE，其中VHE的控制是通過HCR_EL2暫存器的操作來實現的；

 
再補充一個知識點：

  1. Host如果執行在EL1時，可以通過HVC（Hypervisor Call）指令，主動trap到EL2中，從而由Hypervisor來接管；
  2. Guest OS可以配置成當有中斷或異常時trap到EL2中，在中斷或異常產生時，trap到EL2中，從而由Hypervisor來接管；
  3. EL2可以通過eret指令，退回到EL1；

本文的討論基於Non-VHE系統。

2.1 GIC虛擬化支援

GICv2硬體支援虛擬化，來一張舊圖：

先看一下物理GIC的功能模組：

  • GIC分成兩部分：Distributor和CPU Interfaces，Distributor和CPU Interfaces都是通過MMIO的方式來進行訪問；
  • Distributor用於配置GIC，比如中斷的enable與disable，SMP中的IPI中斷、CPU affinity，優先順序處理等；
  • CPU Interfaces用於連線CPU，進行中斷的ACK（Acknowledge）以及EOI（End-Of-Interrupt）訊號處理等，比如當CPU收到中斷訊號時，會通過CPU Interfaces進行ACK回應，並且在處理完中斷後寫入EOI暫存器，而在寫EOI之前將不再收到該中斷；

簡化圖如下：

GICv2，提供了硬體上的虛擬化支援，也就是虛擬GIC（VGIC），從而中斷的接收不需要通過Hypervisor來軟體模擬：

  1. 針對每個vCPU，VGIC引入了VGIC CPU Interfaces和對應的Hypervisor控制介面；
  2. 可以通過寫Hypervisor控制介面中的LR（List Register）暫存器來產生虛擬中斷，VGIC CPU Interface會將虛擬中斷訊號送入到Guest中；
  3. VGIC CPU Interface支援ACK和EOI，因此這些操作也不需要trap到Hypervisor中來通過軟體進行模擬，也減少了CPU接收中斷的overhead；
  4. Distributor仍然需要trap到Hypervisor中來進行軟體模擬，比如，當某個vCPU需要傳送虛擬IPI到另一個vCPU時，此時是需要Distributor來輔助完成功能的，這個過程就需要trap到Hypervisor；

2.2 虛擬中斷產生流程

本文開始提到的三種中斷訊號源，如下圖所示：

  • ①：物理外設產生虛擬中斷流程：
    1. 外設中斷訊號（Hypervisor已經將其配置成虛擬中斷）到達GIC；
    2. GIC Distributor將該物理IRQ傳送至CPU；
    3. CPU trap到Hyp模式，此時將會退出Guest OS的執行，並返回到Host OS；
    4. Host OS將響應該物理中斷，也就是Host OS驅動響應外設中斷訊號；
    5. Hypervisor往List Register寫入虛擬中斷，Virtual CPU interface將virtual irq訊號傳送至vCPU；
    6. CPU將處理該異常，Guest OS會從Virtual CPU Interface讀取中斷狀態進行響應；

 

  • ②：虛擬外設產生虛擬中斷流程：
    1. Qemu模擬外設，通過irqfd來觸發Hypervisor進行中斷注入；
    2. Hypervisor往List Register寫入虛擬中斷，Virtual CPU interface將virtual irq訊號傳送至vCPU；
    3. CPU將處理該異常，Guest OS會從Virtual CPU Interface讀取中斷狀態進行響應；

 

  • ③：vCPU IPI中斷流程：
    1. Guest OS訪問Virtual Distributor，觸發異常，trap到Hypervisor；
    2. Hypervisor進行IO異常響應，並最終將虛擬中斷寫入到List Register中，Virtual CPU interface將virtual irq訊號傳送至vCPU；
    3. CPU將處理該異常，Guest OS會從Virtual CPU Interface讀取中斷狀態進行響應；

 
上述描述的流程，實際中需要和虛擬外設去互動，包括虛擬外設框架（比如VFIO）等，而本文只是從中斷的角度來分析，省去了外設部分。

 
理論部分講完了，下邊就開始從原始碼中去印證理論了。

3. 軟體實現流程

3.1 VGIC初始化

  • kvm_init為總入口，進入vgic_v2_probe函式，完成GICv2的初始化操作，此處還會跟GICV2核心中的驅動互動，去獲取gic_kvm_info資訊，主要包括基地址資訊等，便於後續操作中去進行配置操作；
  • 從藍色部分的函式呼叫可以看出，初始化完成後，會註冊一個kvm_device_ops的操作函式集，以便響應使用者層的ioctl操作；
  • 使用者層呼叫ioctl(vm_fd, KVM_CREATE_DEVICE, 0)，最終將呼叫vgic_create函式，完成VGIC裝置的建立，在該建立函式中也會註冊kvm_device_fops操作函式集，用於裝置屬性的設定和獲取；
  • 使用者層通過ioctl(dev_fd, KVM_SET_DEVICE_ATTR, 0)/ioctl(dev_fd, KVM_GET_DEVICE_ATTR, 0)來進行屬性的設定和獲取，最終也會呼叫vgic_v2_set_attr/vgic_v2_get_attr，以便完成對VGIC的設定；

3.2 物理外設產生中斷

假設你已經看過之前CPU的虛擬化文章了，按照慣例，先上圖：

  • 先來一個先決條件： HCR_EL2.IMO設定為1，所有的IRQ都將trap到Hyp模式，因此，當Guest OS執行在vCPU上時，物理外設觸發中斷訊號時，此時將切換到EL2，然後執行el1_irq；
  • 在Host中，當使用者態通過KVM_RUN控制vCPU執行時，在kvm_call_hyp_ret將觸發Exception Level的切換，切換到Hyp模式並呼叫__kvm_vcpu_run_nvhe，在該函式中__guest_enter將切換到Guest OS的context，並最終通過eret返回到EL1，Guest OS正式開始執行；
  • 中斷觸發後el1_irq將執行__guest_exit，這個過程將進行Context切換，也就是跳轉到Host切入Guest的那個點，恢復Host的執行。注意了，這裡邊有個點很迷惑，el1_irq和__guest_exit的執行都是在EL2中，而Host在EL1執行，之前我一直沒有找到eret來進行Exception Level的切換，最終發現原來是kvm_call_hyp_ret呼叫時，去異常向量表中找到對應的執行函式，實際會呼叫do_el2_call，在該函式中完成了Exception Level的切換，最終回到了EL1；
  • 切回到Host中時，當local_irq_enable開啟中斷後，物理pending的中斷就可以被Host歡快的響應了；

 
那虛擬中斷是什麼時候注入的呢？沒錯，圖中的kvm_vgic_flush_hwstate會將虛擬中斷注入，並且在__guest_enter切換回Guest OS時進行響應：

  • vgic_cpu結構體中的ap_list_head連結串列用於存放Active和Pending狀態的中斷，這也就是命名為ap_list_head的原因；
  • kvm_vgic_flush_hwstate函式會遍歷ap_list_head中的中斷資訊，並填入到vgic_lr陣列中，最終會通過vgic_restore_state函式將陣列中的內容更新到GIC的硬體中，也就完成了中斷的注入了，當__guest_enter執行後，切換到Guest OS，便可以響應虛擬中斷了；
  • 當從Guest OS退出後，此時需要呼叫kvm_vgic_sync_hwstate，這個操作相當於kvm_vgic_flush_hwstate的逆操作，將硬體資訊進行儲存，並對短期內不會處理的中斷進行剔除；

3.3 虛擬外設產生中斷

  • irqfd提供了一種機制用於注入虛擬中斷，而這個中斷源可以來自虛擬外設；
  • irqfd是基於eventfd的機制來實現的，用於使用者態與核心態，以及核心態之間的事件通知；
  • 事件源可以是虛擬裝置，比如VFIO框架等，這個模組還沒有去深入瞭解過，不敢妄言，後續系列會跟進；

 
軟體流程如下圖：

  • 初始化的操作包括兩部分：1）設定Routing entry（【a】vgic_init初始化的時候建立預設的entry；【b】：使用者層通過KVM_SET_GSI_ROUTING來設定）；2）設定irqfd；
  • 初始化設定完成後，系統可以隨時響應事件觸發了，當事件源觸發時，將排程到irqfd_inject函式；
  • irqfd_inject函式完成虛擬中斷的注入操作，在該函式中會去回撥set函式，而set函式是在Routing entry初始化的時候設定好的；
  • 實際的注入操作在vgic_irqfd_set_irq函式中完成；
  • kvm_vcpu_kick函式，將Guest OS切回到Host OS，中斷注入後再切回到Guest OS就可以響應了；

3.4 vCPU IPI

  • Host對VGIC的Distributor進行了模擬，當Guest嘗試訪問VGIC Distributor時，將觸發異常操作，trap到Hyp模式；
  • Hypervisor對異常進行處理，完成寫入操作，並最終切回到Guest OS進行響應；
  • 簡單來說，Hypervisor就是要對中斷進行管理，沒錯，就是這麼強勢；

 
軟體流程如下：

  • 上層呼叫ioctl(vcpu_fd, KVM_RUN, 0)時，最終將呼叫到vgic_register_dist_iodev函式，該函式完成的作用就是將VGIC的Distributor註冊為IO裝置，以便給Guest OS來進行訪問；
  • vgic_register_dist_iodev分為兩個功能模組：1）初始化struct vgic_registers_region結構體欄位和操作函式集；2）註冊為MMIO匯流排裝置；
  • struct vgic_registers_region定義好了不同的暫存器區域，以及相應的讀寫函式，vgic_v2_dist_registers陣列最終會提供給dispach_mmio_read/dispach_mmio_write函式來查詢與呼叫；
  • 當Guest OS訪問Distributor時，觸發IO異常並切換回Host進行處理，io_mem_abort會根據匯流排的型別（MMIO）去查詢到對應的讀寫函式進行操作，也就是圖中對應的dispatch_mmio_read/dispach_mmio_write函式，最終完成暫存器區域的讀寫；
  • 圖中的紅色線，代表的就是異常處理的執行流，可以說是一目瞭然了。

 
耗時耗力耗心血的一篇文章終於寫完了，ARMv8 GICv2中斷虛擬化的總體框架和流程應該算是理順了，全網相關主題的文章並不多，希望能給帶來點幫助吧。

如果對你有用的話，在看，分享，打賞三連吧。

參考

《arm_gic_architecture_specification》
《ARM_Interrupt_Virtualization》
《VM-Support-ARM》
《CoreLink GIC-400 Generic Interrupt Controller》
《Virtualization in the ARM Architecture》
https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/commit/?id=721eecbf4fe995ca94a9edec0c9843b1cc0eaaf3

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