在上期，大家了解了虚拟机中的纯虚拟化设备(Emulation)和半虚拟化(Para-virtualiazation)是如何工作的。
纯虚拟化设备是让Hypervisor接管GuestOS所有的IO操作，模拟操作完毕后再返回到GuestOS中。这种工作方式的好处在于无需对GuestOS做任何修改，但性能非常低下，不适用于磁盘、网卡等数据平面的设备，实际上常用于模拟键盘、鼠标、串口等低速设备。
而半虚拟化的出现，让虚拟机可以通过前端和后端驱动直接使用真实硬件，具备较高的性能。它的问题在于，需要在GuestOS中安装Hypervisor提供的驱动。对于Windows Server或Unix等非开放操作系统，这是难以接受的。
有没有办法把二者的优势结合，既不需要修改GuestOS操作系统，安装客制化驱动，又能够让GuestOS最终能直接操作真实硬件呢？
工程师们想到的第一个解决方案是，硬件直通虚拟机。
我们在前几期提到过，无论是虚拟机还是物理机，对外设的操作，本质上是实现三类操作：
- 对寄存器使用IO指令读写；
- 对中断的处理；
- 对DMA内存的分配和映射；
那么，我们如果能让虚拟机直接对真实硬件的IO寄存器空间、中断和DMA进行这三类操作，就可以实现将硬件直通给虚拟机了！
如图，GuestOS如能像右边那样，直通真实的物理设备，就省去了左边一系列低效的操作，让性能大大提升。
最常见的硬件直通虚拟机的场景，是将GPU直通给虚拟机。GPU属于PCIe设备，将PCIe设备直通给虚拟机所需要的，就是让虚拟机能够访问到PCIe的配置空间，并为PCIe设备在虚拟机的内存地址空间中分配DMA空间，以及让PCIe设备的MSI中断可以直通给虚拟机。
在《虚拟化与云计算硬核技术内幕 (10) —— 事事有人管，人人有事管》中，我们实际上已经给出了让PCIe的MSI中断通往物理外设的方法。这样，我们只需要实现搞定前两个问题就可以了。
对PCIe有所了解的同学可能会发现，PCIe规范下，每个设备都有自身4KB的配置空间，PCIe设备上的PCI控制器内部所有的寄存器都位于这4KB的配置空间中。由于Intel x86的体系架构下IO地址空间只有64K，因此，在Intel处理器集成的PCIe root complex （根联合体，可以视为PCIe总线的总发起端）上，还集成了一个映射单元，将所有PCIe设备的配置空间映射为CPU的内存地址空间。这样，在驱动程序中，对所有PCIe设备不使用in和out这样的IO指令操作，而是使用普通的内存读写指令进行操作。这样，虚拟机读写PCIe配置空间的问题，和为PCIe设备分配DMA地址问题，实质上就成了一个问题——将PCIe设备在宿主机上的配置空间地址和DMA地址，映射成为虚拟机可以访问的地址！
为了实现这一需求，Intel的VT-d技术中，包括了这一地址映射技术，Intel管这项技术叫IOMMU(Input Output Memory Management Unit)。
IOMMU的功能，就是帮助虚拟机完成把虚拟机上的虚拟地址GVA，虚拟机上的物理地址GPA，宿主机上的物理地址HPA相互转换的工作。
虚拟机GuestOS在启动时，会找到Hypervisor给它分配的直通PCIe设备，并调用对应的驱动程序对PCIe设备的配置空间进行虚拟化。
此时，虚拟机对PCIe配置空间读写的指令中，包含的地址为GVA(Guest Virtual Addesss)。CPU上MMU可以通过GVA结合VPID，把GVA翻译为HPA(Host Physical Address)，最后访问到实际的配置空间。
当PCIE设备完成第一阶段的初始化后，驱动程序会向操作系统申请用于给外设进行DMA的内存空间。显然，GuestOS向操作系统申请到的内存地址是GVA。同时，由于GuestOS上的内核与驱动都没有做任何修改，驱动程序会调用操作系统提供的dma_map_page()函数，将GVA翻译为GPA，并将这个地址提供给PCIE设备。当PCIE设备需要DMA的时候，会对GPA进行操作——
在这里出问题了。PCIE DMA地址应当是GPA对应的HPA！
幸好，IOMMU阻止了这一切。
如上图，Linux内核对dma_map_mage函数和pci_map_page()函数做了修改。如果发现自己是虚拟机(非DMA Direct Mapping)，会将地址翻译的工作重定向到IOMMU。IOMMU会拿到GVA对应的HPA。
这样，GuestOS最终可以告诉物理硬件，将DMA地址设定为HPA，并在接收到来自物理硬件的HPA地址的时候，转换回GVA，并读写GVA指向的缓冲区地址。
在IOMMU的帮助下，虚拟机终于可以完成直接操纵真实的硬件了。但是，Hypervisor为了避免冲突，需要将一个物理硬件分配给一台虚拟机专门使用。
如果一台物理服务器上有20个虚拟机的场合，我们有没有办法给每个虚拟机分配一个物理网卡呢？
当然，在服务器上安装20块网卡的笨办法是不可行的。我们要使用其他的办法搞定。
请看下回分解。
