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(jīng)困擾我好幾天的問題在被捋清的那一刻，讓我有點(diǎn)每有會意，欣然忘食的感覺。

在講述中斷虛擬化之前，我們應(yīng)該對中斷的作用與處理流程有個大致的了解：

• 中斷是處理器用于異步處理外圍設(shè)備請求的一種機(jī)制；
• 外設(shè)通過硬件管腳連接在中斷控制器上，并通過電信號向中斷控制器發(fā)送請求；
• 中斷控制器將外設(shè)的中斷請求路由到CPU上；
• CPU（以ARM為例）進(jìn)行模式切換（切換到IRQ/FIQ），保存Context后，根據(jù)外設(shè)的中斷號去查找系統(tǒng)中已經(jīng)注冊好的Handler進(jìn)行處理，處理完成后再將Context進(jìn)行恢復(fù)，接著之前打斷的執(zhí)行流繼續(xù)move on；
• 中斷的作用不局限于外設(shè)的處理，系統(tǒng)的調(diào)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(chǎn)生到路由到vCPU的角度來展開，包含以下三種情況：

1. 物理設(shè)備產(chǎn)生中斷信號，路由到vCPU；
2. 虛擬外設(shè)產(chǎn)生中斷信號，路由到vCPU；
3. Guest OS中CPU之間產(chǎn)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，帶著問題出發(fā)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(gòu)，因?yàn)樯婕暗讲煌腅xception Level的切換；
• 在我閱讀源代碼時，根據(jù)代碼去匹配某篇Paper中的理論時，出現(xiàn)了一些理解偏差，曾一度困擾了我好幾天;

• Non-VHE
  1. Linux ARM架構(gòu)的Hypervisor在引入時，采用的是左圖中的系統(tǒng)架構(gòu)，以便能充分利用Linux現(xiàn)有的機(jī)制，比如scheduler等；
  2. KVM/ARM的實(shí)現(xiàn)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(xiàn)有機(jī)制，而Lowvisor又可以利用Hyp Mode的特權(quán)。此外，帶來的好處還包含了不需要大量修改Linux內(nèi)核的代碼，這個在剛引入的時候是更容易被社區(qū)所接受的；
  3. Lowvisor有三個關(guān)鍵功能：1）對不同的執(zhí)行Context進(jìn)行隔離與保護(hù)，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，用于處理trap到Hypervisor的中斷和異常；

• VHE
  1. VHE: Virtualization Host Extensions，用于支持Host OS運(yùn)行在EL2上，Hypervisor和Host OS都運(yùn)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(shí)現(xiàn)的；

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再補(bǔ)充一個知識點(diǎn)：

1. Host如果運(yùn)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(dāng)有中斷或異常時trap到EL2中，在中斷或異常產(chǎn)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；

本文的討論基于Non-VHE系統(tǒng)。

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(jìn)行訪問；
• Distributor用于配置GIC，比如中斷的enable與disable，SMP中的IPI中斷、CPU affinity，優(yōu)先級處理等；
• CPU Interfaces用于連接CPU，進(jìn)行中斷的ACK（Acknowledge）以及EOI（End-Of-Interrupt）信號處理等，比如當(dāng)CPU收到中斷信號時，會通過CPU Interfaces進(jìn)行ACK回應(yīng)，并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(yīng)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(chǎn)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(jìn)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(jìn)行軟件模擬，比如，當(dāng)某個vCPU需要發(fā)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(chǎn)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(shè)產(chǎn)生虛擬中斷流程：
  1. 外設(shè)中斷信號（Hypervisor已經(jīng)將其配置成虛擬中斷）到達(dá)GIC；
  2. GIC Distributor將該物理IRQ發(fā)送至CPU；
  3. CPU trap到Hyp模式，此時將會退出Guest OS的運(yùn)行，并返回到Host OS；
  4. Host OS將響應(yīng)該物理中斷，也就是Host OS驅(qū)動響應(yīng)外設(shè)中斷信號；
  5. Hypervisor往List Register寫入虛擬中斷，Virtual CPU interface將virtual irq信號發(fā)送至vCPU；
  6. CPU將處理該異常，Guest OS會從Virtual CPU Interface讀取中斷狀態(tài)進(jìn)行響應(yīng)；

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• ②：虛擬外設(shè)產(chǎn)生虛擬中斷流程：
  1. Qemu模擬外設(shè)，通過irqfd來觸發(fā)Hypervisor進(jìn)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(fā)送至vCPU；
  3. CPU將處理該異常，Guest OS會從Virtual CPU Interface讀取中斷狀態(tài)進(jìn)行響應(yīng)；

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• ③：vCPU IPI中斷流程：
  1. Guest OS訪問Virtual Distributor，觸發(fā)異常，trap到Hypervisor；
  2. Hypervisor進(jìn)行IO異常響應(yīng)，并最終將虛擬中斷寫入到List Register中，Virtual CPU interface將virtual irq信號發(fā)送至vCPU；
  3. CPU將處理該異常，Guest OS會從Virtual CPU Interface讀取中斷狀態(tài)進(jìn)行響應(yīng)；

 
上述描述的流程，實(shí)際中需要和虛擬外設(shè)去交互，包括虛擬外設(shè)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(shè)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(shí)現(xiàn)流程

3.1 VGIC初始化

• kvm_init為總?cè)肟冢M(jìn)入vgic_v2_probe函數(shù)，完成GICv2的初始化操作，此處還會跟GICV2內(nèi)核中的驅(qū)動交互，去獲取gic_kvm_info信息，主要包括基地址信息等，便于后續(xù)操作中去進(jìn)行配置操作；
• 從藍(lán)色部分的函數(shù)調(diào)用可以看出，初始化完成后，會注冊一個kvm_device_ops的操作函數(shù)集，以便響應(yīng)用戶層的ioctl操作；
• 用戶層調(diào)用ioctl(vm_fd, KVM_CREATE_DEVICE, 0)，最終將調(diào)用vgic_create函數(shù)，完成VGIC設(shè)備的創(chuàng)建，在該創(chuàng)建函數(shù)中也會注冊kvm_device_fops操作函數(shù)集，用于設(shè)備屬性的設(shè)置和獲??；
• 用戶層通過ioctl(dev_fd, KVM_SET_DEVICE_ATTR, 0)/ioctl(dev_fd, KVM_GET_DEVICE_ATTR, 0)來進(jìn)行屬性的設(shè)置和獲取，最終也會調(diào)用vgic_v2_set_attr/vgic_v2_get_attr，以便完成對VGIC的設(shè)置；

3.2 物理外設(shè)產(chǎn)生中斷

假設(shè)你已經(jīng)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(shè)置為1，所有的IRQ都將trap到Hyp模式，因此，當(dāng)Guest OS運(yùn)行在vCPU上時，物理外設(shè)觸發(fā)中斷信號時，此時將切換到EL2，然后執(zhí)行el1_irq；
• 在Host中，當(dāng)用戶態(tài)通過KVM_RUN控制vCPU運(yùn)行時，在kvm_call_hyp_ret將觸發(fā)Exception Level的切換，切換到Hyp模式并調(diào)用__kvm_vcpu_run_nvhe，在該函數(shù)中__guest_enter將切換到Guest OS的context，并最終通過eret返回到EL1，Guest OS正式開始運(yùn)行；
• 中斷觸發(fā)后el1_irq將執(zhí)行__guest_exit，這個過程將進(jìn)行Context切換，也就是跳轉(zhuǎn)到Host切入Guest的那個點(diǎn)，恢復(fù)Host的執(zhí)行。注意了，這里邊有個點(diǎn)很迷惑，el1_irq和__guest_exit的執(zhí)行都是在EL2中，而Host在EL1執(zhí)行，之前我一直沒有找到eret來進(jìn)行Exception Level的切換，最終發(fā)現(xiàn)原來是kvm_call_hyp_ret調(diào)用時，去異常向量表中找到對應(yīng)的執(zhí)行函數(shù)，實(shí)際會調(diào)用do_el2_call，在該函數(shù)中完成了Exception Level的切換，最終回到了EL1；
• 切回到Host中時，當(dāng)local_irq_enable打開中斷后，物理pending的中斷就可以被Host歡快的響應(yīng)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，并且在__guest_enter切換回Guest OS時進(jìn)行響應(yīng)：

• vgic_cpu結(jié)構(gòu)體中的ap_list_head鏈表用于存放Active和Pending狀態(tài)的中斷，這也就是命名為ap_list_head的原因；
• kvm_vgic_flush_hwstate函數(shù)會遍歷ap_list_head中的中斷信息，并填入到vgic_lr數(shù)組中，最終會通過vgic_restore_state函數(shù)將數(shù)組中的內(nèi)容更新到GIC的硬件中，也就完成了中斷的注入了，當(dāng)__guest_enter執(zhí)行后，切換到Guest OS，便可以響應(yīng)虛擬中斷了；
• 當(dāng)從Guest OS退出后，此時需要調(diào)用kvm_vgic_sync_hwstate，這個操作相當(dāng)于kvm_vgic_flush_hwstate的逆操作，將硬件信息進(jìn)行保存，并對短期內(nèi)不會處理的中斷進(jìn)行剔除；

3.3 虛擬外設(shè)產(chǎn)生中斷

• irqfd提供了一種機(jī)制用于注入虛擬中斷，而這個中斷源可以來自虛擬外設(shè)；
• irqfd是基于eventfd的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的，用于用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)，以及內(nèi)核態(tài)之間的事件通知；
• 事件源可以是虛擬設(shè)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(xù)系列會跟進(jìn)；

 
軟件流程如下圖：

• 初始化的操作包括兩部分：1）設(shè)置Routing entry（【a】vgic_init初始化的時候創(chuàng)建默認(rèn)的entry；【b】：用戶層通過KVM_SET_GSI_ROUTING來設(shè)置）；2）設(shè)置irqfd；
• 初始化設(shè)置完成后，系統(tǒng)可以隨時響應(yīng)事件觸發(fā)了，當(dāng)事件源觸發(fā)時，將調(diào)度到irqfd_inject函數(shù)；
• irqfd_inject函數(shù)完成虛擬中斷的注入操作，在該函數(shù)中會去回調(diào)set函數(shù)，而set函數(shù)是在Routing entry初始化的時候設(shè)置好的；
• 實(shí)際的注入操作在vgic_irqfd_set_irq函數(shù)中完成；
• kvm_vcpu_kick函數(shù)，將Guest OS切回到Host OS，中斷注入后再切回到Guest OS就可以響應(yīng)了；

3.4 vCPU IPI

• Host對VGIC的Distributor進(jìn)行了模擬，當(dāng)Guest嘗試訪問VGIC Distributor時，將觸發(fā)異常操作，trap到Hyp模式；
• Hypervisor對異常進(jìn)行處理，完成寫入操作，并最終切回到Guest OS進(jìn)行響應(yīng)；
• 簡單來說，Hypervisor就是要對中斷進(jìn)行管理，沒錯，就是這么強(qiáng)勢；

 
軟件流程如下：

• 上層調(diào)用ioctl(vcpu_fd, KVM_RUN, 0)時，最終將調(diào)用到vgic_register_dist_iodev函數(shù)，該函數(shù)完成的作用就是將VGIC的Distributor注冊為IO設(shè)備，以便給Guest OS來進(jìn)行訪問；
• vgic_register_dist_iodev分為兩個功能模塊：1）初始化struct vgic_registers_region結(jié)構(gòu)體字段和操作函數(shù)集；2）注冊為MMIO總線設(shè)備；
• struct vgic_registers_region定義好了不同的寄存器區(qū)域，以及相應(yīng)的讀寫函數(shù)，vgic_v2_dist_registers數(shù)組最終會提供給dispach_mmio_read/dispach_mmio_write函數(shù)來查詢與調(diào)用；
• 當(dāng)Guest OS訪問Distributor時，觸發(fā)IO異常并切換回Host進(jìn)行處理，io_mem_abort會根據(jù)總線的類型（MMIO）去查找到對應(yīng)的讀寫函數(shù)進(jìn)行操作，也就是圖中對應(yīng)的dispatch_mmio_read/dispach_mmio_write函數(shù)，最終完成寄存器區(qū)域的讀寫；
• 圖中的紅色線，代表的就是異常處理的執(zhí)行流，可以說是一目了然了。

 
耗時耗力耗心血的一篇文章終于寫完了，ARMv8 GICv2中斷虛擬化的總體框架和流程應(yīng)該算是理順了，全網(wǎng)相關(guān)主題的文章并不多，希望能給帶來點(diǎn)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./pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/commit/?id=721eecbf4fe995ca94a9edec0c9843b1cc0eaaf3