qemu-kvm 对mmio的模拟

——lvyilong316

MMIO和PIO的区别

I/O作为CPU和外设交流的一个渠道，主要分为两种，一种是Port I/O，一种是MMIO(Memory mapping I/O)。 

前者就是我们常说的I/O端口，它实际上的应该被称为I/O地址空间。 对于x86架构来说，通过IN/OUT指令访问。PC架构一共有65536个8bit的I/O端口，组成64KI/O地址空间，编号从0~0xFFFF。连续两个8bit的端口可以组成一个16bit的端口，连续4个组成一个32bit的端口。I/O地址空间和CPU的物理地址空间是两个不同的概念，例如I/O地址空间为64K，一个32bit的CPU物理地址空间是4G。 

MMIO占用CPU的物理地址空间，对它的访问可以使用CPU访问内存的指令进行。一个形象的比喻是把文件用mmap()后，可以像访问内存一样访问文件、同样，MMIO是用访问内存一样的方式访问I/O资源，如设备上的内存。MMIO不能被cache（有特殊情况，如VGA）。 

Port I/O和MMIO的主要区别在于：

(1)     前者不占用CPU的物理地址空间，后者占有（这是对x86架构说的，一些架构，如IA64，port I/O占用物理地址空间）。

(2)     前者是顺序访问。也就是说在一条I/O指令完成前，下一条指令不会执行。例如通过Port I/O对设备发起了操作，造成了设备寄存器状态变化，这个变化在下一条指令执行前生效。uncache的MMIO通过uncahce memory的特性保证顺序性。

(3)     使用方式不同。 

由于port I/O有独立的64KI/O地址空间，但CPU的地址线只有一套，所以必须区分地址属于物理地址空间还是I/O地址空间。早期的CPU有一个M/I针脚来表示当前地址的类型，后来似乎改了。刚才查了一下，叫request command line，没搞懂，觉得还是一个针脚。

IBM PC架构规定了一些固定的I/O端口，ISA设备通常也有固定的I/O端口，这些可以通过ICH（南桥）的规范查到。PCI设备的I/O端口和MMIO基地址通过设备的PCI configure space报告给操作系统，这些内容以前的帖子都很多，可以查阅一下。 

通常遇到写死在I/O指令中的I/O端口，如果不是ISA设备，一般都是架构规定死的端口号，可查阅规范。

qemu-kvm中的MMIO

我们知道X86体系结构上对设备进行访问可以通过PIO方式和MMIO(Memory Mapped I/O)两种方式进行， 那么QEMU-KVM具体是如何实现设备MMIO访问的呢？

MMIO是直接将设备I/O映射到物理地址空间内，虚拟机物理内存的虚拟化又是通过EPT机制来完成的， 那么模拟设备的MMIO实现也需要利用EPT机制．虚拟机的EPT页表是在EPT_VIOLATION异常处理的时候建立起来的， 对于模拟设备而言访问MMIO肯定要触发VM_EXIT然后交给QEMU/KVM去处理，那么怎样去标志MMIO访问异常呢？ 查看Intel SDM知道这是通过利用EPT_MISCONFIG来实现的．那么EPT_VIOLATION与EPT_MISCONFIG的区别是什么?

EXIT_REASON_EPT_VIOLATION is similar to a "page not present" pagefault.

EXIT_REASON_EPT_MISCONFIG is similar to a "reserved bit set" pagefault.

EPT_VIOLATION表示的是对应的物理页不存在，而EPT_MISCONFIG表示EPT页表中有非法的域．

那么这里有２个问题需要弄清楚．

KVM如何标记EPT是MMIO类型 ?

hardware_setup时候虚拟机如果开启了ept支持就调用ept_set_mmio_spte_mask初始化shadow_mmio_mask， 设置EPT页表项最低3bit为：110b就会触发ept_msconfig（110b表示该页可读可写但是还未分配或者不存在，这显然是一个错误的EPT页表项）.

static void ept_set_mmio_spte_mask(void)

{

    /*

     * EPT Misconfigurations can be generated if the value of bits 2:0

     * of an EPT paging-structure entry is 110b (write/execute).

     */

    kvm_mmu_set_mmio_spte_mask(VMX_EPT_RWX_MASK,

                   VMX_EPT_MISCONFIG_WX_VALUE);

}

同时还要对EPT的一些特殊位进行标记来标志该spte表示MMIO而不是虚拟机的物理内存，例如这里

(1)set the special mask:  SPTE_SPECIAL_MASK．

(2)reserved physical address bits:  the setting of a bit in the range 51:12 that is beyond the logical processor’s physic

我们可以通过以两个函数对比一下kvm对MMIO pte的处理：

void kvm_mmu_set_mmio_spte_mask(u64 mmio_mask, u64 mmio_value)

{

    BUG_ON((mmio_mask & mmio_value) != mmio_value);

    shadow_mmio_value = mmio_value | SPTE_SPECIAL_MASK;

    shadow_mmio_mask = mmio_mask | SPTE_SPECIAL_MASK;

}

EXPORT_SYMBOL_GPL(kvm_mmu_set_mmio_spte_mask);



static void kvm_set_mmio_spte_mask(void)

{

    u64 mask;

    int maxphyaddr = boot_cpu_data.x86_phys_bits;



    /*

     * Set the reserved bits and the present bit of an paging-structure

     * entry to generate page fault with PFER.RSV = 1.

     */

     /* Mask the reserved physical address bits. */

    mask = rsvd_bits(maxphyaddr, 51);



    /* Set the present bit. */

    mask |= 1ull;



#ifdef CONFIG_X86_64

    /*

     * If reserved bit is not supported, clear the present bit to disable

     * mmio page fault.

     */

    if (maxphyaddr == 52)

        mask &= ~1ull;

#endif



    kvm_mmu_set_mmio_spte_mask(mask, mask);

}

KVM在建立EPT页表项之后设置了这些标志位再访问对应页的时候会触发EPT_MISCONFIG退出了，然后调用handle_ept_misconfig-->handle_mmio_page_fault来完成MMIO处理操作。

QEMU如何标记设备的MMIO

这里以e1000网卡模拟为例，设备初始化MMIO时候时候注册的MemoryRegion为IO类型（不是RAM类型）．

static void

e1000_mmio_setup(E1000State *d)

{

    int i;

    const uint32_t excluded_regs[] = {

        E1000_MDIC, E1000_ICR, E1000_ICS, E1000_IMS,

        E1000_IMC, E1000_TCTL, E1000_TDT, PNPMMIO_SIZE

    };

    // 这里注册MMIO，调用memory_region_init_io，mr->ram = false！！！

    memory_region_init_io(&d->mmio, OBJECT(d), &e1000_mmio_ops, d,

                          "e1000-mmio", PNPMMIO_SIZE);

    memory_region_add_coalescing(&d->mmio, 0, excluded_regs[0]);

    for (i = 0; excluded_regs[i] != PNPMMIO_SIZE; i++)

        memory_region_add_coalescing(&d->mmio, excluded_regs[i] + 4,

                                     excluded_regs[i+1] - excluded_regs[i] - 4);

    memory_region_init_io(&d->io, OBJECT(d), &e1000_io_ops, d, "e1000-io", IOPORT_SIZE);

}

结合QEMU-KVM内存管理知识我们知道， QEMU调用kvm_set_phys_mem注册虚拟机的物理内存到KVM相关的数据结构中的时候 会调用memory_region_is_ram来判断该段物理地址空间是否是RAM设备， 如果不是RAM设备直接return了．

static void kvm_set_phys_mem(KVMMemoryListener *kml,

                             MemoryRegionSection *section, bool add)

{

    ......

    if (!memory_region_is_ram(mr)) {

        if (writeable || !kvm_readonly_mem_allowed) {

            return; // 设备MR不是RAM但可以写，那么这里直接return不注册到kvm里面

        } else if (!mr->romd_mode) {

            /* If the memory device is not in romd_mode, then we actually want

             * to remove the kvm memory slot so all accesses will trap. */

            add = false;

        }

    }

    ......

}

对于MMIO类型的内存QEMU不会调用kvm_set_user_memory_region对其进行注册， 那么KVM会认为该段内存的pfn类型为KVM_PFN_NOSLOT， 进而调用set_mmio_spte来设置该段地址对应到spte， 而该函数中会判断pfn是否为NOSLOT标记以确认这段地址空间为MMIO．

static bool set_mmio_spte(struct kvm_vcpu *vcpu, u64 *sptep, gfn_t gfn,

              kvm_pfn_t pfn, unsigned access)

{

    if (unlikely(is_noslot_pfn(pfn))) {

        mark_mmio_spte(vcpu, sptep, gfn, access);

        return true;

    }



    return false;

}

总结

MMIO是通过设置spte的保留位来标志的． 虚拟机内部第一次访问MMIO的gpa时，发生了EPT_VIOLATION然后check gpa发现对应的pfn不存在（QEMU没有注册），那么认为这是个MMIO，于是set_mmio_spte来标志它的spte是一个MMIO． 后面再次访问这个gpa时就发生EPT_MISCONFIG了，进而愉快地调用handle_ept_misconfig -> handle_mmio_page_fault -> x86_emulate_instruction 来处理所有的MMIO操作了．