ARMv8虚拟化基础知识

2022-08-15 16:36:41 浏览数 (1)
  • 1 概述
  • 2 虚拟化简介
  • 3 AArch64虚拟化
  • 4 `Stage-2`地址转换
  • 5 指令的陷入和模拟
  • 6 虚拟化异常
  • 7 虚拟化通用定时器
  • 8 虚拟化主机扩展
  • 9 嵌套虚拟化
  • 10 安全空间的虚拟化
  • 11 虚拟化的成本
  • 12 小测验
  • 13 其它参考文章
  • 14 接下来的计划

1 概述

本文描述了ARMv8-64的虚拟化支持。讨论主题包括stage-2地址转换、虚拟异常和陷入。

本文主要介绍基本的虚拟化理论，并给出一些hypervisor如何利用虚拟硬件特性的示例。不会讨论如何写一个具体的hypervisor，或解释如何从头写一个hypervisor。

文章的最后，有一些问题可以用来检测你的学习程度。通过本文，首先，你将学习到两种类型的hypervisor，以及它们与ARM架构的异常级别（EL）的关系。其次，你将能够解释陷入操作，以及如何使用它们模拟操作。最后，你将了解hypervisor能够产生哪些虚拟异常，并描述相关机制。

1.1 准备工作

假设你对虚拟化有一个基本的认识，包括虚拟机是什么，以及hypervisor的角色。还应该熟悉内存管理中的异常模型和地址转换。

2 虚拟化简介

首先，我们引入一些hypervisor和虚拟化理论的入门知识。如果，你已经非常熟悉这些概念，请跳过本段。

在本文中，我们使用术语hypervisor来表示负责创建、管理和调度虚拟机（VM）的软件。

2.1 虚拟化为什么重要？

虚拟化是一项使用广泛的技术，支撑着几乎所有的现代云计算和企业基础设施。通过虚拟化，开发人员可以在单个机器上运行多个操作系统，以便可以在不损害主机环境的情况下测试软件。

虚拟化在服务器中很流行，对虚拟化的支持也是大多数服务器级处理器的要求。因为虚拟化带给了数据中心想要的特性，包括：

  • 隔离：虚拟化的核心是为运行在单个物理系统上的多个虚拟机提供隔离。这种隔离允许互不信任的计算环境共享物理系统。例如，两个竞争对手可以在数据中心共享一台物理机器，但不能访问彼此的数据。
  • 高可用性：虚拟化允许在物理机器之间无缝并透明的迁移工作负载。这种常用于将工作负载从故障的硬件平台上迁移出来，以便维护、替换出错的硬件平台。
  • 负载均衡：为了优化数据中心的硬件和电力预算，充分利用硬件平台是非常重要的。这可以通过虚拟机的迁移，或在物理机器上托管合理的工作负载实现。这意味着尽可能地挖掘物理机器的容量。基于此，可以为数据中心提供商提供最好的电力预算，也为算力租户提供最佳性能。
  • 沙箱: 虚拟机可以为应用程序提供沙箱运行环境。比如，旧应用程序或开发中的软件，都可以运行在虚拟机中。运行在虚拟机中，可以阻止程序的漏洞或缺陷、甚至是恶意程序破坏运行在物理机器上的其它应用程序。
2.2 独立或托管hypervisor

hypervisor可以分为两大类：独立hypervisor，也称为Type-1型hypervisor；托管hypervisor，也称为Type-2型hypervisor。

我们首先看一下Type-2型hypervisor。在Type-2型的配置中，Host OS完全掌控着硬件平台和它的所有资源，包括CPU和物理内存。下图为一个Type-2型hypervisor的示意图：

Virtual Box或VMware就是这种类型的hypervisor。这种hypervisor的好处是，Host OS可以充分利用已有的OS功能管理硬件，也就是不用再开发大量的驱动程序。运行在被托管的虚拟机中的OS，我们称之为Guest OS。

接下来，我们看一下Type-1型hypervisor

从图中可以看出，该设计中没有Host OS的存在。hypervisor直接运行在硬件之上，完全掌控硬件平台及其所有资源，包括CPU和物理内存。与托管型hypervisor一样，独立hypervisor也可以托管虚拟机。这些虚拟机可以运行一个或多个完整的Guest OS。

ARM平台上最常用的两个开源hypervisor是Xen（独立，Type-1型）和KVM（托管，Type-2型）。本文在阐述一些要点时，会用这两个hypervisor作为示例。当然，还有许多其它可用的hypervisor，包括开源或私有的。

2.3 全虚拟化和半虚拟化

虚拟机的经典定义是一个独立的、隔离的计算环境，与真实的物理机器没有区别。尽管可以在ARM平台上完全模拟真实的机器，但这通常不是一种有效的方式。比如，模拟的网卡设备非常慢，因为Guest OS每次访问模拟寄存器，都必须由hypervisor处理。频繁的陷入导致比直接访问物理设备的寄存器，代价高昂的多。

作为替代方案，是修改Guest OS。让运行在虚拟机中的Guest OS意识到，自己是运行在虚拟机中，同时，在hypervisor提供性能更好的虚拟设备，Guest OS可以获得更好的访问性能。（简单地理解，全虚拟化中，每次访问寄存器都需要切换到hypervisor中执行，而半虚拟化中，将多次寄存器访问合并为一次I/O操作，减少hypervisor的切换次数，以提高性能）

Xen就是半虚拟化的代表，也是它推广了半虚拟化这个概念。使用Xen的虚拟化方案，需要修改Guest OS，以便让其可以在虚拟硬件平台上运行，而不是一个物理机器上。这种修改完全是为了提高性能。

在今天，包括ARM在内，大多数架构都支持硬件虚拟化，Guest OS基本上不需要修改就可以运行。除了少数几种I/O设备，比如块存储设备和网络设备，它们使用半虚拟化的设备和驱动程序。这种半虚拟化的I/O设备包括VirtIO和Xen PV Bus。

2.4 虚拟机和虚拟CPU

理解虚拟机（VM）和虚拟CPU（vCPU）的区别是很重要的。虚拟机包含一个或多个vCPU，如下图所示：

VM和vCPU的概念，在我们理解文章中的某些主题时非常有用。比如，一个物理内存页可以被分配给一个VM，那么该VM中所有的vCPU都可以访问这个内存页。但是，一个虚拟中断，只能被传送到目标vCPU上。

严格意义上，应该使用虚拟处理单元（vPE）的概念，而不是vCPU。对于ARM架构实现的机器来说，PE是通用术语。本文使用vCPU的概念而不是vPE，是因为大部分人对此概念比较熟悉。但是，在ARM架构规范中，使用vPE的术语。

3 AArch64虚拟化

运行在EL2或更高异常级别上的软件，可以访问控制虚拟化：

  • Stage-2地址转换
  • EL1/0指令和寄存器访问的捕获
  • 虚拟异常的产生

异常级别（EL），各层上运行的软件以及安全、非安全状态的对应关系，如下图所示：

值得注意的是，安全状态的EL2是灰色的。这是因为Secure EL2的支持并不总是可用的（ARMv8.4扩展）。这将在安全虚拟化一节中讨论。

ARM架构中一些其它的虚拟化扩展特性，包括：

  • 安全虚拟化
  • 主机虚拟化扩展-支持托管（Type-2型）hypervisor
  • 嵌套虚拟化

4 Stage-2地址转换

4.1 Stage-2地址转换概念

Stage-2地址转换允许hypervisor对虚拟机中的内存有一个全局视角。具体来说，就是hypervisor能够控制VM访问的哪些内存映射的系统资源，以及这些资源在VM地址空间中的位置。

能够控制VM的内存访问，对于隔离和沙箱运行是非常重要的。Stage-2地址转换可以保证VM只能看见分配给它的资源，而无法访问分配给其它VM或hypervisor的资源。

对于内存地址转换来说，Stage-2地址转换属于第二阶段。为了支持该功能，需要一组新的地址转换表，称为Stage-2页表。

操作系统（OS）控制一组地址页表，将自己的虚拟地址空间映射到它认为的物理地址空间上。但是，OS想要访问真正的物理地址，还需要经历第二阶段的地址转换。这个第二阶段的地址转换由hypervisor控制。

OS控制的地址转换称为Stage-1地址转换，hypervisor控制的地址转换称为Stage-2地址转换。OS认为的物理内存空间称为中间物理地址（IPA）空间。

Stage-2阶段使用的页表格式与Stage-1类似。但是，页表中某些属性的处理是不同的，比如内存类型是Normal或Device，是直接编码到页表项中的，而不是通过MAIR_ELx寄存器的标志位进行判断。

4.2 虚拟机标识符（VMID）

每个虚拟机都有一个标识符，称为VMID。VMID用来给TLB项进行标记，这样就可以知道相应的项属于哪个VM。通过这种标记的方法，就可以允许同时在TLB中存在不同VM的地址转换。

VMID存储在VTTBR_EL2寄存器中，可以是8位或16位。由VTCR_EL2.VS标志位控制。16位的VMID是在ARMv8.1-A架构扩展中引入的。

EL2和EL3的地址转换不需要使用VMID进行标记，因为它们不属于Stage-2地址转换。

4.3 VMID和ASID的组合使用

我们知道，TLB表项也可以使用地址空间标识符（ASID）进行标记。应用进程由OS指定ASID，该进程中的所有TLB表项都会被该ASID标记。这意味着属于不同应用进程的TLB表项可以在TLB中共存，从而不存在一个应用进程使用了不属于它的TLB表项。

每个VM都有自己的ASID命名空间。比如，两个VM可能都使用了ASID=5，但是对于它们来说，是不同的事物。所以，ASID和VMID的结合是非常重要的。

4.4 内存属性的组合和覆盖

Stage-1和Stage-2地址映射都包含了属性，像内存类型和访问权限。内存管理单元（MMU）会组合两个阶段的属性，给出最终的属性结果。MMU从两者之中选择更严格的属性，如下图所示：

在本示例中，内存的Device类型比Normal类型更严格。因此，最终要访问的就是Device类型内存。如果，我们颠倒两个阶段的内存类型指定，也就是Stage-1是Normal，Stage-2是Device，那么，结果是一样的。

这种属性结合方法适用于大部分情况，但是，有时候，hypervisor可能想要覆盖这种行为。比如，在VM的早期引导启动阶段，

  • HCR_EL2.CD：强制所有Stage-1阶段的属性都是非缓存的（Non-cacheable）。
  • HCR_EL2.DC：强制Stage-1阶段的属性为回写可缓存的正常内存（Normal、Write-Back Cacheable）。
  • HCR_EL2.FWB：允许Stage-2覆盖Stage-1阶段的属性，而不是前面的常规属性结合方式。（这样，hypervisor可以阻止虚拟机访问某些关键的外设，以防该虚拟机中的Guest OS被恶意破坏后，进一步访问关键设备）。

HCR_EL2.FWB是ARMv8.4-A扩展的引入的。

4.5 模拟MMIO

同真实的物理地址空间一样，一个VM的IPA空间，包含内存和外设，如下图所示：

VM使用IPA地址中的外设区域，访问真实的物理外设（通常是直接分配的外设，也称为直通设备）和虚拟外设。

虚拟外设完全是由hypervisor使用软件模拟的，如下图所示：

已分配的外设是已经分配给VM的真实物理设备，映射到其IPA地址空间中。这就允许运行在VM中的软件可以直接与外设进行交互。

虚拟外设是hypervisor使用软件模拟的一个设备。相应的Stage-2页表项标记为fault。VM中的软件认为它在直接跟外设交互，实际上，每次访问都会触发一个Stage-2的fault异常，hypervisor在异常处理程序中模拟外设的访问。

为了模拟外设，hypervisor不仅需要知道要访问哪个外设，而且需要知道访问外设中的哪个寄存器，是读还是写寄存器，访问的大小，以及传输数据的寄存器。

为了处理异常，异常模型引入了FAR_ELx寄存器。当处理Stage-1的fault异常时，该寄存器会报告触发异常的虚拟地址。但是，此时的虚拟地址对hypervisor是没有用的，因为通常hypervisor不知道Guest OS如何配置它的虚拟地址空间。对于Stage-2阶段的fault异常，有一个额外的寄存器HPFAR_EL2，它将报告发生abort的IPA地址。因为hypervisor可以控制IPA地址空间，所以，它可以使用这个信息确定需要模拟的寄存器。

异常模型展示了ESR_ELx寄存器如何报告异常的信息。对于通用目的寄存器load或store触发的Stage-2阶段的fault异常，会提供额外的信息。这些信息包括访问的大小，源还是目的寄存器，以及允许hypervisor决定对虚拟外设的访问类型。

下图展示了捕获异常，并模拟访问的过程：

这个过程分为三步：

  1. VM尝试访问虚拟外设。在本示例中，访问虚拟UART的接收FIFO。
  2. 这次访问会被阻塞在stage-2地址转换阶段，产生abort，陷入到EL2。
    • abort异常会将异常的信息，比如访问的字节数、目标寄存器以及它是load还是store，写入到寄存器ESR_EL2。
    • abort异常还会将异常的IPA地址，写入到寄存器HPFAR_EL2中。
  3. hypervisor读取ESR_EL2和HPFAR_EL2，识别要访问的虚拟外设寄存器。根据这些信息，hypervisor模拟相应的操作。然后，通过ERET指令返回到vCPU。
    • 之后的执行从LDR之后的指令开始。
4.6 系统内存管理单元（SMMU）

到目前为止，我们已经考虑了来自处理器的不同访问类型。系统中的其它主控制器，比如DMA控制器也会被分配给VM使用。我们还需要一些方法，将Stage-2阶段的保护扩展到这些主控制器上。

先考虑不使用虚拟化的系统，和其DMA控制器布局，如下图所示：

该DMA控制器通过内核空间的驱动程序进行访问。该内核驱动程序因为与内核在同一个地址空间中，能够保证OS内存访问不被破坏。也就是，应用程序不能通过DMA访问它不应该访问的内存。

再来考虑相同的系统，但是OS运行在VM中，如下图所示：

在该系统中，hypervisor使用Stage-2地址转换为VM提供隔离。也就是说，虚拟机能够访问的内存完全是由hypervisor控制的Stage-2页表决定的。

如果直接允许VM中的驱动与DMA控制器交互，将会产生两个问题：

  • 隔离：DMA控制器不属于Stage-2页表，可以破坏VM的沙箱。
  • 地址空间：由于存在两个阶段的地址转换，导致内核相信PA就是IPA。而DMA控制器仍然能够看见真实的PA，因此，内核和DMA控制器就有了不同的内存视角。为了解决这个问题，hypervisor可以捕获VM和DMA的每次交互，提供必要的模拟行为。当内存碎片化时，这个过程非常低效且是有问题的。

一个替代方案是，扩展Stage-2地址转换机制，让其也能够对其它主控制器对内存的访问进行管理，比如，DMA控制器。也就是为这些主控制器也提供一个MMU管理单元，我们称之为系统内存管理单元（简称为SMMU，有时也称IOMMU）。

hypervisor负责对SMMU进行编程，这样，其它主控制器，比如本例中的DMA，就和VM具有一样的内存视角了。

这个方案解决了我们上面提出的两个问题。SMMU能够增强VM之间的隔离，保证独立的主控制器不会破坏沙箱环境。而且，SMMU也给了VM和分配给VM的主控制器一致的内存视角。

当然了，虚拟化不是SMMU的唯一使用场景。对于其它使用情况不再本文的讨论范围，后续再专门写文章讨论。

5 指令的陷入和模拟

有时候，hypvervisor需要模拟VM中的操作。比如，VM中的软件想要配置跟电源管理或cache一致性有关的一些底层的处理器控制。通常，我们不想VM直接访问这些控制寄存器，因为，它们可能被用来破会隔离，或者影响系统中的其它VM。

当执行给定的操作时，比如读取一个寄存器，陷入会产生异常。hypervisor需要这种能力去捕获VM的操作，就像配置底层的一些控制寄存器一样，而不会影响其它VM。

ARMv8架构提供了这种捕获VM操作并模拟它们的陷入控制标志位。当配置了某种陷入异常之后，VM执行某个特定的操作，将会造成异常，从而陷入到更高级别的异常级（EL）中。进而，hypervisor能够利用这些陷入异常模拟VM中的操作。

比如，执行等待中断（WFI）指令，会将CPU置入低功耗状态。如果设置了HCR_EL2.TWI==1，在EL0或EL1执行WFI指令，就会在EL2产生一个异常。

注意：陷入（Trap）不仅仅是给虚拟化使用的。在EL3和EL1一样可以控制陷入。但是，陷入对虚拟化软件特别重要。本文仅讨论与虚拟化相关的陷入操作。

在WFI例子中，OS通常在idle循环中执行执行WFI指令。对于虚拟机中的Guest OS，hypervisor能够捕获这种操作，然后调度不同的vCPU执行，如下图所示：

5.1 表示某些寄存器的虚拟值

另一个使用陷入的例子是表示某些寄存器的虚拟值。比如，ID_AA64MMFR0_EL1，表示处理器支持的内存相关的一些特性。尤其是在启动阶段，OS可能会读取这些值，判断内核是否应该使能某些功能。对此，hypervisor可能想给Guest OS表达一个不同的值，称为虚拟值。

为此，hypervisor使能相关陷入标志位。当VM读取该寄存器时，发生陷入异常，hypervisor确定是哪种陷入触发的，然后，模拟该操作。在本例中，hypervisor使用ID_AA64MMFR0_EL1的虚拟值填充目的寄存器，如下图所示：

陷入异常，也可以用于懒惰上下文切换（lazy context switching）。比如，通常情况下，OS在引导启动阶段初始化MMU配置寄存器（TTBR<n>_EL1、TCR_EL1和MAIR_EL1），之后，不会再重新设置。hypervisor可以利用这个习惯优化上下文切换，仅仅在上下文切换时恢复这些寄存器，而不用保存它们。

但是，启动之后，OS也可能会对其重新编程。为了避免造成问题，hypervisor可以设置HCR_EL2.TVM这个陷入使能位。设置之后，任何尝试写MMU相关的寄存器都会产生陷入异常到EL2中，允许hypervisor检测是否需要更新它保存的这些寄存器的副本。

注意：我们使用陷入（trapping）和路由（routing）表示独立，但是相关的概念。回忆一下，陷入是当执行特定的操作造成异常。路由是指一旦异常产生就会被带到的异常级别。

5.2 MIDR和MPIDR

使用陷入模拟一些操作需要大量的计算。VM的操作产生陷入异常到EL2，hypervisor确定、模拟该操作，然后，返回到Guest OS中。表示特性的寄存器，像ID_AA64MMFR0_EL1，OS不常访问。这意味着，hypervisor模拟这种操作所执行的代码而带来的性能损失是可以接受的。

对于那些需要频繁访问的寄存器，或者性能关键代码中访问的寄存器，就需要避免这种计算负载。这类寄存器和其可能值的示例，如下所示：

  • MIDR_EL1：处理器类型，比如Cortex-A53。
  • MPIDR_EL1：亲和力寄存器，比如处理器2的核1。

hypervisor希望Guest OS能够看见这些寄存器的虚拟值，但是每次访问都陷入。对于这些寄存器，ARMv8架构提供了代替方案：

  • VPIDR_EL2：EL1读取MIDR_EL1时返回的值。
  • VMPIDR_EL2：EL1读取MPIDR_EL1时返回的值。

hypervisor可以在进入VM之前，设置这些寄存器。如果VM中的软件读取MIDR_EL1或MPIDR_EL1，硬件自动返回虚拟值，而无需陷入到EL2处理。

注意：VMPIDR_EL2和VPIDR_EL2没有定义复位值。所以，在第一次进入到EL1之前，启动代码必须初始化这几个虚拟寄存器。这在裸机程序中尤为重要。

6 虚拟化异常

硬件使用中断发送信号给软件。比如，GPU使用中断通知它已经完成帧的渲染。

在支持虚拟化的系统中，这部分就更为复杂了。某些中断可能是hypervisor本身处理。其它的中断可能分配到VM中，由其中的软件进行处理。另外，当接收到中断时，中断的目标VM可能没在运行中。

这就意味着，你需要一些机制支持hypervisor处理EL2上的中断。另外，还需要一些机制，转发中断到特定的VM或者特定的vCPU上。

为了使能这些机制，ARMv8架构支持虚拟中断：vIRQ、vFIQ和vSError。这些虚拟中断的行为与物理中断（IRQ、FIQ和SError类似，但只能在EL0或EL1上执行时发出信号。在EL2或EL3上执行时，是不可能接收到虚拟中断的。

注意：安全状态的虚拟化支持是在ARMv8.4-A扩展中引入的。为了在安全EL0/1中，发出虚拟中断的信号，需要支持安全EL2并使能它。否则，在安全状态下是不会发送虚拟中断信号的。

6.1 使能虚拟中断

为了发送虚拟中断到EL0/1，hypervisor必须设置HCR_EL2寄存器中相关的路由标志位。比如，为了使能vIRQ中断信号，必须设置HCR_EL2.IMO标志位。这种设置，将物理IRQ中断路由到EL2，然后，由hypervisor使能虚拟中断，发送信号到EL1。

理论上，可以配置VM接收物理FIQ中断和虚拟IRQ中断。实际上，这是不同寻常的。VM通常只接收虚拟中断信号。

6.2 产生虚拟中断

产生虚拟中断，有两种机制：

  • 由CPU核内部产生，通过HCR_EL2中的一些控制位实现。
  • 使用GICv2或更新架构的中断控制器。（参考另一篇文章《GICv3-软件概述》的第8章）

让我们从机制1开始。HCR_EL2中，有3个标志位控制虚拟中断的产生：

  • VI：设置该标志位注册一个vIRQ中断。
  • VF：设置该标志位注册一个vFIQ中断。
  • VSE：设置该标志位注册一个vSError中断。

设置这些标志位，等价于中断控制器产生一个中断信号给vCPU。产生的虚拟中断收到PSTATE屏蔽，就像常规中断那样。

这种机制简单易用，但缺点就是，只提供了产生该中断自身的一种方法。hypervisor需要在VM中模拟中断控制器的操作。总的来说，通过陷入、模拟的方式涉及到开销问题，对于频繁的操作，尤其是中断，最好避免。

第二种方法是使用ARM提供的通用中断控制器（GIC），产生虚拟中断。从GICv2开始，通过提供物理CPU接口和虚拟CPU接口，中断控制器可以发送物理中断和虚拟中断两种信号。如下图所示：

两种接口是一样的，除了一个发送物理中断信号而另外一个发送虚拟中断信号之外。hypervisor可以将虚拟CPU接口映射到VM，这样，VM中的软件就可以直接和GIC通信。这种方法的优点是，hypervisor只需要配置虚拟接口即可，不需要模拟它。这种方法减少了需要陷入到EL2中执行的次数，因此也就减少了虚拟化中断的开销。

虽然，GICv2可以与ARMv8-A一起使用，但更常见的是使用GICv3或GICv4。

6.3 转发中断到vCPU的示例

到目前为止，我们已经看了虚拟中断是如何被使能和产生的。下面就让我们看一下，将虚拟中断转发到vCPU的示例。在该例子中，我们假设一个物理外设被分配给VM，如下所示：

步骤如下：

  1. 物理外设发送中断信号到GIC。
  2. GIC产生物理中断异常，可以是IRQ或FIQ，被路由到EL2（设置HCR_EL2.IMO/FMO标志位）。hypervisor识别外设，并确定已经分配给VM。然后，判断中断应该被转发到哪个vCPU。
  3. hypervisor配置GIC，将物理中断以虚拟中断的形式转发给vCPU。然后，GIC发送vIRQ或vFIQ信号。但是，当在EL2上执行时，处理器会忽略掉这类虚拟中断信号。
  4. hypervisor将控制权返还给vCPU。
  5. 此时，处理器处于vCPU中（EL0或EL1），就可以接收来自GIC的虚拟中断。这个虚拟中断同样受制于PSTATE异常掩码的屏蔽。

该示例展示了一个物理中断，如何被转发为虚拟中断的过程。这个例子对应于在讲解Stage-2地址转换一节时的直通设备。对于虚拟外设，hypervisor能够产生虚拟中断，而无需将其连接到一个物理中断上。

6.4 中断掩码和虚拟中断

在异常模型中，我们介绍了PSTATE中的中断掩码位，PSTATE.I用于IRQ，PSTATE.F用于FIQ，且PSTATE.A用于SError。当在虚拟化环境中工作时，这些掩码的工作方式有些不同。

例如，对于IRQ，我们已经看到设置HCR_EL2.IMO做了两件事：

  • 路由物理IRQ中断到EL2
  • 使能在EL0和EL1中的vIRQ中断信号的发送

此设置还会改变应用PSTATE.I掩码的方式。当在EL0和EL1时，如果HCR_E2.IMO==1，PSTATE.I对vIRQ进行操作，而非pIRQ。

7 虚拟化通用定时器

ARM架构提供了通用定时器，是每个处理器中一组标准化的定时器。通用定时器包含一组比较器，每个比较器与通用系统计数器进行比较。当比较器的值等于或小于系统计数器时，就会产生一个中断。下图中，我们可以通用定时器（橙色），由一组比较器和计数器模块组成。

下图展示了一个具有两个vCPU的hypervisor的示例系统：

在示例中，我们忽略hypervisor在vCPU之间执行上下文切换时花费的开销。

4ms物理时间（挂钟时间）内，每个vCPU运行了2ms。如果vCPU0在T=0时设置比较器，让其3ms之后产生中断，中断会按照预期产生吗？

或者，你希望在虚拟时间(vCPU所经历的时间)2ms之后中断，还是在挂钟时间2ms之后中断?

ARM架构提供了这两种功能，具体使用依赖于虚拟化的用途。让我们看一下硬件架构是如何做到的。

运行在vCPU上的软件可以访问2个定时器：

  • EL1物理定时器
  • EL1虚拟定时器

EL1物理定时器与系统计数器产生的计数进行比较。可以使用这个定时器给出挂钟时间，即物理CPU的执行时间。

挂钟时间，英文名称为wall-clock time，也可以理解为物理CPU的执行时间。

EL1虚拟定时器与虚拟计数进行比较。虚拟计数等于物理计数减去偏移量。hypervisor在一个寄存器CNTOFF_EL2中，为当前被调度的vCPU指定偏移量。这就允许它隐藏该vCPU未被调度执行时流逝的时间。

为了阐述这个概念，我们扩展前面的示例，如下图所示：

在6ms的时间周期内，每个vCPU都运行了3ms。hypervisor可以使用偏移量寄存器让虚拟计数仅仅表示vCPU的运行时间。或者，hypervisor可以设置偏移量为零，这意味着虚拟时间等于物理时间。

本示例中，展示的系统计数是1ms。实际上，这个频率是不现实的。我们推荐系统计数器使用1MHz到50MHz之间的频率（也就是1us→20ns计数时间间隔）。

8 虚拟化主机扩展

下图展示了一个软件和异常级别对应关系的简化版本：

可以看到独立hypervisor和ARM异常级别的对应关系。hypervisor运行在EL2上，VM运行在EL0/1上。对于托管型hypervisor这种架构是有问题的。

我们知道，通常情况下，内核运行在EL1，但是虚拟化的控制操作在EL2。这意味着，Host OS内核的大部分代码位于EL1，一小部分代码运行于EL2（用于控制虚拟化）。这种设计效率不高，因为它涉及到额外的上下文切换。

想要使内核运行在EL2，需要处理运行在EL1和EL2上的一些差异。但是，这些差异被限制到少数子系统中，比如早期引导阶段。

支持DynamIQ异构技术的处理器（Cortex-A55、Cortex-A75和Cortex-A76）支持虚拟化主机扩展（VHE）。

8.1 在EL2运行Host OS

VHE由HCR_EL2寄存器的两个位进行控制：

  • E2H：控制是否使能VHE功能；
  • TGE：当使能了VHE，控制EL0是Guest还是Host。

下表总结了典型的设置：

执行

E2H

TGE

Guest内核(EL1)

1

0

Guest应用(EL0)

1

0

Host内核(EL2)

1

1*

Host应用(EL0)

1

1

当发生异常，从VM退出，进入hypervisor时，TGE最初为0。软件必须在运行Host OS内核主要部分之前设置该位。

典型设置如下图所示：

8.2 虚拟地址空间

下图展示了在引入VHE之前，EL0/1的虚拟地址空间布局如下：

在内存管理模型中，EL0/EL1具有两个区域。习惯上，上面的区域称为内核空间，下面的区域称为用户空间。但是，从右侧的图中可以看出，EL2只有底部的一个地址空间。造成这种差异是因为，一般情况下，hypervisor不会直接托管应用程序。这意味着，hypervisor无需划分内核空间和用户空间。

分配上面的区域给内核空间，下面的区域给用户空间，仅仅是约定。ARM架构没有强制这么做。

EL0/1虚拟地址空间也支持地址空间标识符（ASID），但是EL2不支持。这还是因为hypervisor通常不会托管应用程序。

为了允许EL2上有效执行Host OS，我们需要添加第二个区域和ASID的支持。使能HCR_EL2.E2H可以解决这个问题，如下图所示：

在EL0中，HCR_EL2.TGE控制使用哪个虚拟地址空间：EL1空间，还是EL2空间。具体使用哪个空间依赖于应用程序运行在Host OS（TGE==1），还是Guest OS（TGE==0）。

8.3 重定向寄存器访问

前面我们已经知道，使能VHE会改变EL2虚拟地址空间的布局。但是，我们还有一个问题，MMU的配置。这是因为，我们的内核会访问_EL1寄存器，如TTBR0_EL1，而不是_EL2寄存器，如TTBR0_EL2。

为了在EL2运行相同的二进制代码，我们需要将对EL1寄存器的访问重定向到EL2的等价寄存器上。使能E2H，就能实现这个功能。如下图所示：

但是，这种重定向给我们带来了新问题。hypervisor仍然需要访问真实的_EL1寄存器，以便实现任务切换。为了解决这个问题，一组寄存器别名被引入，后缀为_EL12或_EL02。当在EL2使用时（E2H==1），访问这些别名寄存器就会访问真实的EL1寄存器，以便实现上下文切换。如下图所示：

8.4 异常

通常，HCR_EL2.IMO/FMO/AMO路由标志位控制着物理异常被路由到EL1还是EL2。当在EL0上执行（TGE==1）时，所有的物理异常路由到EL2，除非通过SCR_EL3寄存器控制路由到EL3。这种情况下，与HCR_EL2路由标志位的实际值无关。这是因为应用程序作为Host OS的子进程在执行，而不是作为Guest OS。因此，异常应该被路由到运行在EL2上的Host OS中。

9 嵌套虚拟化

理论上，hypervisor还可以运行在一个VM之中。这个被称为嵌套虚拟化：

我们称第一个hypervisor为Host Hypervisor，在VM内部的hypervisor为Guest Hypervisor。

在ARMv8.3-A扩展之前，就可以通过在EL0中运行Guest Hypervisor而实现在VM中运行一个Guest Hypervisor。但是，这要求大量的软件模拟，导致比较差的性能。通过ARMv8.3-A扩展的特性，可以在EL1上运行Guest Hypervisor。添加了ARMv8.4-A扩展之后，这个过程更加有效率，尽管仍然需要Host Hypervisor中的一些操作。

9.1 Guest Hypervisor访问虚拟化控制寄存器

我们不想Guest Hypervisor直接访问虚拟化控制寄存器。因为直接访问可能潜在允许VM破坏沙箱，或获取主机平台的信息。这种潜在的问题与我们前面讨论陷入和模拟一节时面临的问题一样。

Guest Hypervisor运行在EL1。HCR_EL2中新添加的标志位允许Host Hypervisor捕获Guest Hypervisor对虚拟化控制寄存器的访问：

  • HCR_EL2.NV：硬件嵌套虚拟化总开关
  • HCR_EL2.NV1：使能一组额外的陷入(trap)
  • HCR_EL2.NV2：使能对内存的重定向
  • VNCR_EL2（NV2==1）：指向内存中的一个结构

ARMv8.3-A添加了NV和NV1控制位。从EL1访问_EL2寄存器，通常是未定义的，这种访问会造成到EL1的异常。而NV和NV1控制位则将这种异常陷入到EL2。这就允许运行在EL1上的Guest Hypervisor，使用运行在EL2上的Host Hypervisor模拟某些操作。NV标志位还能捕获EL1的ERET指令。

下图展示了Guest Hypervisor设置和进入虚拟机的过程:

  1. Guest Hypervisor访问_EL2寄存器会陷入到EL2。Host Hypervisor会记录Guest Hypervisor的配置信息。
  2. Guest Hypervisor尝试进入它的Guest VM（Guest的Guest VM），这种尝试就是调用ERET指令，而ERET指令会被EL2捕获。
  3. Host Hypervisor检索Guest的Guest的配置，并加载该配置信息到合适的寄存器中。然后，Host Hypervisor清除NV标志位，并进入Guest的Guest执行。

这种方法的问题是，Guest Hypervisor每次访问EL2寄存器都会陷入。在两个vCPU或VM之间执行任务切换时，需要访问许多寄存器，导致大量的陷入异常。而异常进入和退出会带来开销。

一个更好的方法是获取EL2寄存器的配置，只有在调用ERET指令时陷入到Host Hypervisor。引入ARMv8.4-A扩展后，这成为可能。当设置了NV2标志位后，EL1访问_EL2寄存器被重定向到内存中的一个数据结构。Guest Hypervisor可以根据需要读写这些寄存器，而无需任何陷入。当然，调用ERET指令仍然会陷入到EL2，此时，Host Hypervisor重新检索内存中的配置信息。后面的过程与前面的方法一致，如下图所示：

  1. Guest Hypervisor访问_EL2寄存器被重定向到内存中的一个数据结构。数据结构的位置由Host Hypervisor使用VNCR_EL2寄存器指定。
  2. Guest Hypervisor调用ERET指令，尝试进入它的Guest VM（Guest的Guest VM）。ERET指令被EL2捕获。
  3. Host Hypervisor检索Guest的Guest的配置，并加载该配置信息到合适的寄存器中。然后，Host Hypervisor清除NV标志位，并进入Guest的Guest执行。

这种方法的优点是陷入更少，因此，进入Host Hypervisor的次数也更少。

10 安全空间的虚拟化

虚拟化是在ARMv7-A架构引入的。那时的Hyp模式等价于AArch32状态的EL2，只有在非安全状态可用。ARMv8.4-A扩展添加了对安全EL2的支持，是一个可选配置。

如果处理器支持安全EL2，需要在EL3中使能SCR_EL3.EEL2标志位。设置该标志位允许进入EL2，且使能安全状态下的虚拟化。

在安全虚拟化可用之前，EL3通常运行安全状态切换软件和平台固件。这是因为我们想要尽量减少EL3 中的软件数量，让EL3更容易安全。安全虚拟化允许我们将平台固件移动到EL1。虚拟化为平台固件和可信内核提供单独的安全分区。下图说明了这一点：

10.1 Secure EL2和两个IPA空间

ARM架构定义了两个物理地址空间：Secure和Non-secure。在非安全状态中，VM的Stage-1地址转换的输出总是非安全的。因此，Stage-2地址转换只有一个IPA空间需要处理。

安全状态下，VM的Stage-1地址转换的输出可以是安全地址，也可以是非安全地址。地址转换表中描述符中的NS标志位控制输出是安全，还是非安全地址空间。这意味着对于Stage-2地址转换有两个IPA空间需要处理，如下图所示：

与Stage-1页表不同，Stage-2页表项中没有NS位。对于特定的IPA 空间，所有转换都可以产生安全物理地址或非安全物理地址。这种转换由一个寄存器位控制。通常，非安全IPA转换为非安全PA，而安全IPA转换为安全PA。

11 虚拟化的成本

虚拟化的成本是当hypervisor需要为VM服务时，需要在VM和hypervisor之间切换时花费的时间。在ARM系统中，这种成本的最低限是：

  • 31个64位通用目的寄存器（X0→X30）
  • 32个128位浮点/SIMD寄存器（V0→V31）
  • 2个堆栈指针寄存器（SP_EL0，SP_EL1）

通过LDP和STP指令，hypervisor只需要32个指令保存和恢复这些寄存器。

真正的虚拟化性能损失依赖于硬件平台和hypervisor的设计。

12 小测验

  • 问：Type-1型hypervisor和Type-2型的区别是什么？
    • 答：Type-2型运行在Host OS之上，Type-1型没有Host OS。
  • 问：安全状态和非安全状态有多少个IPA空间？
    • 答：安全状态有2个IPA空间：安全和非安全。非安全状态有一个IPA空间。
  • 问：在哪个异常级别中可以使用虚拟中断？
    • 答：虚拟中断只有在EL0或EL1中执行，并且只有设置HCR_EL2中相应的路由标志位才能启用。
  • 问：SMMU是什么？如何使用SMMU进行虚拟化？
    • 答：SMMU是系统MMU，为非处理器的主控制器提供地址翻译服务。在虚拟化中，SMMU可以给主控制器（如DMA控制器）和VM一样的内存视角。
  • 问：HCR_EL2.EH2标志位如何影响MSR TTBRO_EL1,x0在EL2上的执行？
    • 答：当E2H==0，该指令写TTBR0_EL1寄存器；当E2H==1，写操作被重定向到TTBR0_EL2。
  • 问：VMID是什么？它的作用是什么？
    • 答：VMID是虚拟机标识符。用来标记VM的TLB项，以便来自不同VM的TLB项可以在TLB中共存。
  • 问：陷入（Trap）是什么？它如何用于虚拟化？
    • 答：陷入可以造成合法操作触发异常，并将该操作陷入到更高特权级的软件上。在虚拟化中，陷入允许hypervisor检测某个操作何时执行，然后模拟这些操作。

13 其它参考文章

与本文相关的一些参考文章：

  • 内存管理
  • 异常模型
  • ARM虚拟化：性能和架构的意义：关于基于ARM架构的系统虚拟化成本的背景读物
  • Arm community：ARM官方论坛，可以提问问题，查找文章和博客

下面是一些其它主题的参考内容：

13.1 虚拟化的介绍
  • Xen项目
  • KVM的通用知识
13.2 虚拟化概念
  • GICv3/v4软件概述
  • Virtio的背景知识

14 接下来的计划

打算开发一个轻量级的hypervisor，只实现对VM的分区隔离。hypervisor本身不参与主动调度VM的执行。计划如下：

  1. 在QEMU模拟器上实现一个hypervisor，支持裸机程序（EL1）的运行
  2. 在QEMU模拟器上实现一个hypervisor，支持Linux的运行
  3. 实现两个虚拟机之间的通信
  4. 选择一个硬件平台运行，初步选择RK3399
  5. 使用Rust语言重写该hypervisor

另外，读者也可以按照Spawn a Linux virtual machine on Arm using QEMU (KVM) 这篇文章，基于ARM模拟平台建立开源的XEN和KVM hypervisor。

kvm 单片机 arm 虚拟化 tcp/ip

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