1. 概述

虚拟化技术中最关键的技术之一就是CPU虚拟化。在没有硬件辅助虚拟化技术出来之前，通常都是通过TCG（软件进行指令翻译）的方式实现CPU虚拟化。但是由于TCG方式的虚拟化层开销太大，性能太差，因此引入了硬件辅助虚拟化技术。

1.1 Intel的硬件辅助虚拟化

Intel的硬件辅助虚拟化技术叫做Intel-VT （Virtualization Technology）技术。具备这种硬件辅助虚拟化技术的CPU包括VMX root operation 和 VMX non-root operation两种模式。两种模式都支持Ring 0 ~ Ring 3 共 4 个运行级别。宿主机的VMM运行在VMX root operation模式下。客户机操作系统及其他应用运行在VMX non-root operation模式下。一般来说，客户机的操作系统直接运行在VMX non-root operation模式的Ring0层，大部分指令可以直接发送给CPU而不需要经过VMM。只有在执行一些比较特殊的指令时才会切换到VMM下。

1.2 ARM的硬件辅助虚拟化

ARM的硬件辅助虚拟化技术叫做ARM-V (Virtualization) 技术，从ARMv8开始比较好的支持这种硬件辅助虚拟化技术。类似X86根/非根模式，ARM引入多个异常级来控制资源访问权限。宿主机上VMM运行在EL2层，客户机操作系统运行在EL1层，应用程序运行在EL0层。

1.2.1 ARMv8 CPU异常级

ARMv8的异常级分为4级（EL0~EL3），权限也是从低到高。同时也分了两个CPU运行状态（Non-secure和Secure），顾名思义为了安全和非安全的运行态，此处不扩展。每一级运行的内容如下图所示：

运行在不同异常级最大的区别就是能够访问的寄存器组不同，同时也影响了某些硬件行为（比如对页表的lookup）。运行在高异常级时可以访问低异常级的寄存器组，反之不行。

为了切换到更高的异常级（主动触发某个异常级的异常），需要主动执行特殊的指令：

• Supervisor Call (SVC)。一般由EL0切换到EL1的指令，会进入EL1的异常向量表。
• Hypervisor Call (HVC) 。Non-secure EL1切换到EL2的指令，会进入到EL2的异常向量表。
• Secure monitor Call (SMC) 。切换到EL3的指令，只有在EL1、EL2执行有效。

1.2.2 Virtualization Host Extensions(VHE)特性

ARM有一个比较特殊的技术叫做VHE (Virtualization Host Extension)。如果CPU支持VHE特性，那么宿主机的Linux内核和VMM都运行在EL2异常级，这样可以减少EL1和EL2之间模式切换的次数，具备更高的性能。在不支持VHE的CPU上，VMM代码被分成两部分在不同的异常级执行，其中一部分运行在EL2，比如捕获Guest OS退出异常、VM-Exit保存恢复上下文，另一部分VMM代码和Host内核在EL1异常级执行，这样Hypervisor在进行资源管理和虚拟机调度时需要在EL1和EL2之间进行切换，效率会低一些。

如上图所示，在引入VHE之前（b图），Host Kernel被分为两个部分，一部分在EL1，另外一部分（KVM中的Lowisor）在EL2。如果VM发生中断，那么会首先Trap到EL2的Lowisor，然后调用Eret回到EL1的KVM进行处理。当处理完之后，再次进入VM之前，需要再Trap进入EL2，然后再调用Eret回到VM。总共发生了2次Trap，以及调用了2次Eret。不管是软件还是硬件的开销，都不小，尤其是频繁VM exit的情况下。

引入VHE之后（c图），Host Kernel完全运行在EL2上。因此，当VM发生中断，Trap到EL2后，所有的处理逻辑都会在EL2实现，而不需要再回到EL1做额外的处理。对比non-VHE，减少了大量Trap带来的软件和硬件上的开销。

2. Qemu-KVM CPU虚拟化

Qemu-KVM是当前主流的一种虚拟化实现方式。从总体框架上看，大致如下图：

大致分为qemu和内核KVM的视角来分析。

2.1 Qemu视角

首先，因为Qemu也是用户态程序，所以运行在EL0。Qemu会为虚拟机创建配置的vCPU，每个vCPU就是一个线程（thread）。同时，Qemu也创建了其他的辅助线程，比如用来处理主线程事件的event loop线程、处理IO请求的io threads、vnc worker threads等。当然，Qemu除了模拟CPU，也可以模拟虚拟机的其它任何设备，本文着重分析KVM vCPU线程的实现（硬件辅助虚拟化下虚拟CPU的模拟）。

连接qemu和kvm的桥梁就是通过ioctl来请求/dev/kvm的接口服务。因此，KVM相关的功能，通过/dev/kvm设备的形式呈现给了userspace。

2.2 KVM视角

KVM作为Linux内核的一个模块，集成了硬件虚拟化扩展的功能（可以认为就是硬件虚拟化特性的驱动模块）。ARM的KVM模块在目前的开源最新版本还不支持配置成模块化的方式，只能内建于Linux内核。

KVM提供了几个重要的ioctl接口。

• KVM_CREATE_KVM：创建一个虚拟机，并返回一个fd_vm的虚拟机文件描述符。
• KVM_CREATE_VCPU：可以对fd_vm所对应的虚拟机创建vCPU，并对vCPU做初始化操作。
• KVM_RUN：对fd_vcpus操作，启动运行虚拟机。

每个vCPU thread通过调用KVM_RUN ioctl来执行vCPU结构体中保存的Guest代码。当虚拟机上下文发生异常、中断、执行高权限指令时，虚拟机会发生VM exit，Trap到Hyp Mode回到KVM，由KVM接管、处理产生的异常、中断，以及必要时是否模拟执行的高特权指令。

某些异常是KVM处理不了的，比如虚拟机内部读写virtio设备的地址空间产生的VM exit，此时KVM会返回到Qemu，由Qemu做进一步处理，待Qemu处理完之后，再通过KVM_RUN ioctl重新回到虚拟机上下文。

3. 小结

本文主要介绍了ARM硬件辅助虚拟化原理，ARMv8 VHE特性。通过分析Qemu-KVM虚拟化软件流程，配置CPU异常级，模拟VCPU线程，控制虚拟机陷入陷出，最终达到物理CPU资源复用的能力。

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