【原創】Linux虛擬化KVM-Qemu分析（六）之中斷虛擬化

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. 文章同步在博客園：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了解：

• 中斷是處理器用於異步處理外圍設備請求的一種機制；
• 外設通過硬件管腳連接在中斷控制器上，並通過電信號向中斷控制器發送請求；
• 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），保存Context后，根據外設的中斷號去查找系統中已經注冊好的Handler進行處理，處理完成后再將Context進行恢復，接着之前打斷的執行流繼續move on；
• 中斷的作用不局限於外設的處理，系統的調度，SMP核間交互等，都離不開中斷；

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

1. 物理設備產生中斷信號，路由到vCPU；
2. 虛擬外設產生中斷信號，路由到vCPU；
3. Guest OS中CPU之間產生中斷信號（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，帶着問題出發吧。

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；
• 在我閱讀源代碼時，根據代碼去匹配某篇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，采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的實現采用了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內核的代碼，這個在剛引入的時候是更容易被社區所接受的；
  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，用於支持Host OS運行在EL2上，Hypervisor和Host OS都運行在EL2，可以減少Context切換帶來的開銷；
  2. 目前Cortex-A55, Cortex-A75, Cortex-A76支持VHE，其中VHE的控制是通過HCR_EL2寄存器的操作來實現的；

 
再補充一個知識點：

1. Host如果運行在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虛擬化支持

GICv2硬件支持虛擬化，來一張舊圖：

先看一下物理GIC的功能模塊：

• 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，優先級處理等；
• CPU Interfaces用於連接CPU，進行中斷的ACK（Acknowledge）以及EOI（End-Of-Interrupt）信號處理等，比如當CPU收到中斷信號時，會通過CPU Interfaces進行ACK回應，並且在處理完中斷后寫入EOI寄存器，而在寫EOI之前將不再收到該中斷；

簡化圖如下：

GICv2，提供了硬件上的虛擬化支持，也就是虛擬GIC（VGIC），從而中斷的接收不需要通過Hypervisor來軟件模擬：

1. 針對每個vCPU，VGIC引入了VGIC CPU Interfaces和對應的Hypervisor控制接口；
2. 可以通過寫Hypervisor控制接口中的LR（List Register）寄存器來產生虛擬中斷，VGIC CPU Interface會將虛擬中斷信號送入到Guest中；
3. VGIC CPU Interface支持ACK和EOI，因此這些操作也不需要trap到Hypervisor中來通過軟件進行模擬，也減少了CPU接收中斷的overhead；
4. Distributor仍然需要trap到Hypervisor中來進行軟件模擬，比如，當某個vCPU需要發送虛擬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信號源，如下圖所示：

• ①：物理外設產生虛擬中斷流程：
  1. 外設中斷信號（Hypervisor已經將其配置成虛擬中斷）到達GIC；
  2. GIC Distributor將該物理IRQ發送至CPU；
  3. CPU trap到Hyp模式，此時將會退出Guest OS的運行，並返回到Host OS；
  4. Host OS將響應該物理中斷，也就是Host OS驅動響應外設中斷信號；
  5. Hypervisor往List Register寫入虛擬中斷，Virtual CPU interface將virtual irq信號發送至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信號發送至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信號發送至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交互，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，下邊就開始從源碼中去印證理論了。

3. 軟件實現流程

3.1 VGIC初始化

• kvm_init為總入口，進入vgic_v2_probe函數，完成GICv2的初始化操作，此處還會跟GICV2內核中的驅動交互，去獲取gic_kvm_info信息，主要包括基地址信息等，便於后續操作中去進行配置操作；
• 從藍色部分的函數調用可以看出，初始化完成后，會注冊一個kvm_device_ops的操作函數集，以便響應用戶層的ioctl操作；
• 用戶層調用ioctl(vm_fd, KVM_CREATE_DEVICE, 0)，最終將調用vgic_create函數，完成VGIC設備的創建，在該創建函數中也會注冊kvm_device_fops操作函數集，用於設備屬性的設置和獲取；
• 用戶層通過ioctl(dev_fd, KVM_SET_DEVICE_ATTR, 0)/ioctl(dev_fd, KVM_GET_DEVICE_ATTR, 0)來進行屬性的設置和獲取，最終也會調用vgic_v2_set_attr/vgic_v2_get_attr，以便完成對VGIC的設置；

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設置為1，所有的IRQ都將trap到Hyp模式，因此，當Guest OS運行在vCPU上時，物理外設觸發中斷信號時，此時將切換到EL2，然后執行el1_irq；
• 在Host中，當用戶態通過KVM_RUN控制vCPU運行時，在kvm_call_hyp_ret將觸發Exception Level的切換，切換到Hyp模式並調用__kvm_vcpu_run_nvhe，在該函數中__guest_enter將切換到Guest OS的context，並最終通過eret返回到EL1，Guest OS正式開始運行；
• 中斷觸發后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，這里邊有個點很迷惑，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調用時，去異常向量表中找到對應的執行函數，實際會調用do_el2_call，在該函數中完成了Exception Level的切換，最終回到了EL1；
• 切回到Host中時，當local_irq_enable打開中斷后，物理pending的中斷就可以被Host歡快的響應了；

 
那虛擬中斷是什么時候注入的呢？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鏈表用於存放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函數會遍歷ap_list_head中的中斷信息，並填入到vgic_lr數組中，最終會通過vgic_restore_state函數將數組中的內容更新到GIC的硬件中，也就完成了中斷的注入了，當__guest_enter執行后，切換到Guest OS，便可以響應虛擬中斷了；
• 當從Guest OS退出后，此時需要調用kvm_vgic_sync_hwstate，這個操作相當於kvm_vgic_flush_hwstate的逆操作，將硬件信息進行保存，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，用於用戶態與內核態，以及內核態之間的事件通知；
• 事件源可以是虛擬設備，比如VFIO框架等，這個模塊還沒有去深入了解過，不敢妄言，后續系列會跟進；

 
軟件流程如下圖：

• 初始化的操作包括兩部分：1）設置Routing entry（【a】vgic_init初始化的時候創建默認的entry；【b】：用戶層通過KVM_SET_GSI_ROUTING來設置）；2）設置irqfd；
• 初始化設置完成后，系統可以隨時響應事件觸發了，當事件源觸發時，將調度到irqfd_inject函數；
• irqfd_inject函數完成虛擬中斷的注入操作，在該函數中會去回調set函數，而set函數是在Routing entry初始化的時候設置好的；
• 實際的注入操作在vgic_irqfd_set_irq函數中完成；
• kvm_vcpu_kick函數，將Guest OS切回到Host OS，中斷注入后再切回到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，就是這么強勢；

 
軟件流程如下：

• 上層調用ioctl(vcpu_fd, KVM_RUN, 0)時，最終將調用到vgic_register_dist_iodev函數，該函數完成的作用就是將VGIC的Distributor注冊為IO設備，以便給Guest OS來進行訪問；
• vgic_register_dist_iodev分為兩個功能模塊：1）初始化struct vgic_registers_region結構體字段和操作函數集；2）注冊為MMIO總線設備；
• struct vgic_registers_region定義好了不同的寄存器區域，以及相應的讀寫函數，vgic_v2_dist_registers數組最終會提供給dispach_mmio_read/dispach_mmio_write函數來查詢與調用；
• 當Guest OS訪問Distributor時，觸發IO異常並切換回Host進行處理，io_mem_abort會根據總線的類型（MMIO）去查找到對應的讀寫函數進行操作，也就是圖中對應的dispatch_mmio_read/dispach_mmio_write函數，最終完成寄存器區域的讀寫；
• 圖中的紅色線，代表的就是異常處理的執行流，可以說是一目了然了。

 
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

歡迎關注個人公眾號，不定期更新內核相關技術文章