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【原创】Linux虚拟化KVM-Qemu分析(三)之KVM源码(1)


背景

  • Read the fucking source code! –By 鲁迅
  • A picture is worth a thousand words. –By 高尔基

说明:

  1. KVM版本:5.9.1
  2. QEMU版本:5.0.0
  3. 工具:Source Insight 3.5, Visio
  4. 文章同步在博客园:https://www.cnblogs.com/LoyenWang/

1. 概述

  • 从本文开始将开始source code的系列分析了;
  • KVM作为内核模块,可以认为是一个中间层,向上对接用户的控制,向下对接不同架构的硬件虚拟化支持;
  • 本文主要介绍体系架构初始化部分,以及向上的框架;

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2. KVM初始化

  • 贝多芬曾经说过,一旦你找到了代码的入口,你就扼住了软件的咽喉;
  • 我们的故事,从module_init(arm_init)开始,代码路径:arch/arm64/kvm/arm.c

老规矩,先来一张图(图片中涉及到的红色框函数,都是会展开描述的):

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  • 内核的功能模块,基本上的套路就是:1)完成模块初始化,向系统注册;2)响应各类请求,这种请求可能来自用户态,也可能来自异常响应等;
  • kvm的初始化,在kvm_init中完成,既包含了体系结构相关的初始化设置,也包含了各类回调函数的设置,资源分配,以及设备注册等,只有当初始化完成后,才能响应各类请求,比如创建虚拟机等;
    1. 回调函数设置:cpuhp_setup_state_nocall与CPU的热插拔相关,register_reboot_notifer与系统的重启相关,register_syscore_ops与系统的休眠唤醒相关,而这几个模块的回调函数,最终都会去调用体系结构相关的函数去打开或关闭Hypervisor
    2. 资源分配:kmem_cache_create_usercopykvm_async_pf_init都是创建slab缓存,用于内核对象的分配;
    3. kvm_vfio_ops_initVFIO是一个可以安全将设备I/O、中断、DMA导出到用户空间的框架,后续在将IO虚拟化时再深入分析;
  • 图片中红色的两个函数,是本文分析的内容,其中kvm_arch_init与前文ARMv8硬件虚拟化支持紧密相关,而misc_register与上层操作紧密相关;

2.1 kvm_arch_init

  • It's a big topic, I'll try to put it in a nutshell.
  • 这部分内容,设计ARMv8体系结构,建议先阅读《Linux虚拟化KVM-Qemu分析(二)之ARMv8虚拟化》
  • 红色框的函数是需要进一步展开讲述的;

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  • is_hyp_mode_available用于判断ARMv8的Hyp模式是否可用,实际是通过判断__boot_cpu_mode的值来完成,该值是在arch/arm64/kernel/head.S中定义,在启动阶段会设置该值:

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  • is_kernel_in_hyp_mode,通过读取ARMv8的CurrentEL,判断是否为CurrentEL_EL2
  • ARM架构中,SVE的实现要求VHE也要实现,这个可以从arch/arm64/Kconfig中看到,SVE的模块编译:depends on !KVM || ARM64_VHESVE(scalable vector extension),是AArch64下一代的SIMD(single instruction multiple data)指令集,用于加速高性能计算。其中SIMD如下:

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  • init_common_resources,用于设置IPA的地址范围,将其限制在系统能支持的物理地址范围之内。stage 2页表依赖于stage 1页表代码,需要遵循一个条件:Stage 1的页表级数 >= Stage 2的页表级数;

2.1.1 init_hyp_mode

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  • 放眼望去,init_hyp_mode解决的问题就是各种映射,最终都会调用到__create_hyp_mappings,先来解决这个映射问题:

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  • 看过之前内存管理子系统的同学,应该熟悉这个页表映射建立的过程,基本的流程是给定一个虚拟地址区间和物理地址,然后从pgd开始逐级往下去建立映射。ARMv8架构在实际映射过程中,P4D这一级页表并没有使用。

让我们继续回到init_hyp_mode的正题上来,这个函数完成了PGD页表的分配,完成了IDMAP代码段的映射,完成了其他各种段的映射,完成了异常向量表的映射,等等。此外,再补充几点内容:

  1. ARMv8异常向量表

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  • ARMv8架构的AArch64执行态中,每种EL都有16个entry,分为四类:Synchronous,IRQ,FIQ,SError。以系统启动时设置hypervisor的异常向量表__hyp_stub_vectors为例:

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  • 当从不同的Exception Level触发异常时,根据执行状态,去选择对应的handler处理,比如上图中只有el1_sync有效,也就是在EL1状态触发EL2时跳转到该函数;
  1. pushsection/popsection
  • init_hyp_mode函数中,完成各种段的映射,段的定义放置在vmlinux.lds.S中,比如hyp.idmap.text

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  • 可以通过pushsection/popsection来在目标文件中来添加一个段,并指定段的属性,比如”ax”代表可分配和可执行,这个在汇编代码中经常用到,比如hyp-init.S中,会将代码都放置在hyp.idmap.text中:

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  • 除了pushsection/popsection外,通过#define __hyp_text __section(.hyp.text) notrace __noscs的形式也能将代码放置在指定的段中;
  1. Hypervisor相关寄存器
  • 讲几个关键的相关寄存器:
    1)sctlr_el2(System Control Register):可以用于控制EL2的MMU和Cache相关操作;
    2)ttbr0_el2(Translation Table Base Register 0):用于存放页表的基地址,上文中提到分配的hyp_pgd就需要设置到该寄存器中;
    3)vbar_el2(Vector Base Address Register):用于存放异常向量表的基地址;

我们需要先明确几点:

  1. Hyp模式下要执行的代码,需要先建立起映射;
  2. 映射IDMAP代码段和其他代码段,明确这些段中都有哪些函数,这个可以通过pushsection/popsection以及__hyp_text宏可以看出来;
  3. 最终的目标是需要建立好页表映射,并安装好异常向量表;

貌似内容比较零碎,最终的串联与谜题留在下一小节来解答。

2.1.2 init_subsystems

先看一下函数的调用流程:

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  • VGICtimer,以及电源管理相关模块在本文中暂且不深入分析了,本节主要关心cpu_hyp_reinit的功能;
  • 绿色框中的函数,会陷入到EL2进行执行;

看图中有好几次异常向量表的设置,此外,还有页表基地址、栈页的获取与设置等,结合上一小节的各类映射,是不是已经有点迷糊了,下边这张图会将这些内容串联起来:

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  • 在整个异常向量表创建的过程中,涉及到三个向量表:__hyp_stub_vectors__kvm_hyp_init__kvm_call_hyp,这些代码都是汇编实现;
  • 在系统启动过程中(arch/arm64/kernel/head.S),调用到el2_setup函数,在该函数中设置了一个临时的异常向量表,也就是先打一个桩,这个从名字也可以看出来,该异常向量表中仅实现了el2_synchandler处理函数,可以应对两种异常:1)设置新的异常向量表;2)重置异常向量表,也就是设置回__hyp_stub_vectors
  • kvm初始化时,调用了__hyp_set_vectors来设置新的异常向量表:__kvm_hyp_init。这个向量表中只实现了__do_hyp_init的处理函数,也就是只能用来对Hyp模式进行初始化。上文提到过idmap段,这个代码就放置在idmap段,以前分析内存管理子系统时也提到过idmap,为什么需要这个呢?idmap: identity map,也就是物理地址和虚拟地址是一一映射的,防止MMU在使能前后代码不能执行;
  • __kvm_call_hyp函数,用于在Hyp模式下执行指定的函数,在cpu_hyp_reinit函数中调用了该函数,传递的参数包括了新的异常向量表地址,页表基地址,Hyp的栈地址,per-CPU偏移等,最终会调用__do_hyp_init函数完成相应的设置。

到此,页表和异常向量表的设置算是完成了。

2.2 misc_register

misc_register用于注册字符设备驱动,在kvm_init函数中调用此函数完成注册,以便上层应用程序来使用kvm模块

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  • 字符设备的注册分为三级,分别代表kvm, vm, vcpu,上层最终使用底层的服务都是通过ioctl函数来操作;
  • kvm:代表kvm内核模块,可以通过kvm_dev_ioctl来管理kvm版本信息,以及vm的创建等;
  • vm:虚拟机实例,可以通过kvm_vm_ioctl函数来创建vcpu,设置内存区间,分配中断等;
  • vcpu:代表虚拟的CPU,可以通过kvm_vcpu_ioctl来启动或暂停CPU的运行,设置vcpu的寄存器等;

Qemu的使用为例:

  1. 打开/dev/kvm设备文件;
  2. ioctl(xx, KVM_CREATE_VM, xx)创建虚拟机对象;
  3. ioctl(xx, KVM_CREATE_VCPU, xx)为虚拟机创建vcpu对象;
  4. ioctl(xx, KVM_RUN, xx)让vcpu运行起来;

3. 总结

本文主要从两个方向来介绍了kvm_init

  1. 底层的体系结构相关的初始化,主要涉及的就是EL2的相关设置,比如各个段的映射,异常向量表的安装,页表基地址的设置等,当把这些准备工作做完后,才能在硬件上去支持虚拟化的服务请求;
  2. 字符设备注册,设置好各类ioctl的函数,上层应用程序可以通过字符设备文件,来操作底层的kvm模块。这部分内容深入的分析,留到后续的文章再展开了;

实际在看代码过程中,一度为很多细节绞尽乳汁,对不起,是绞尽脑汁,每有会意,便欣然忘食,一文也无法覆盖所有内容,草率了。

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