【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；

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）：

• 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_usercopy与kvm_async_pf_init都是创建slab缓存，用于内核对象的分配；
  3. kvm_vfio_ops_init：VFIO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；

• 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：

• 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_VHE。SVE（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：

• 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

• 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：

• 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

• 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：

• 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

• 在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：

• 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：

• 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：

• VGIC，timer，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：

• 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_sync的handler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；
• 在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：

• 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；

以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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