分类： LINUX
2024-11-13 11:25:10
原文地址：IOMMU和VFIO概述 作者：lvyilong316
PCI设备的配置空间如下图所示：
(1)Device ID和Vendor ID寄存器
这两个寄存器只读，Vendor ID代表PCI设备的生产厂商，而Device ID代表这个厂商所生产的具体设备。如Intel公司的82571EB芯片网卡，其中Vendor ID为0x8086，Device为0x105E。
(2)Revision ID和Class Code寄存器
这两个寄存器只读。其中Revision ID寄存器记载PCI设备的版本号。该寄存器可以被认为是Device ID的寄存器的扩展。Class Code寄存器记载PCI设备的分类，该寄存器由三个字段组成，分别是Base Class Code、Sub Class Code和Interface。其中Base Class Code讲PCI设备分类为显卡、网卡、PCI桥等设备；Sub Class Code对这些设备进一步细分。Interface定义编程接口。除此之外硬件逻辑设计也需要使用寄存器识别不同的设备。当Base Class Code寄存器为0x06，Sub Class Code寄存器为0x04时，表示当前PCI设备为一个标准的PCI桥。
(3)Header Type寄存器
该寄存器只读，由8位组成。
第7位为1表示当前PCI设备是多功能设备，为0表示为单功能设备
第0~6位表示当前配置空间的类型，为0表示该设备使用PCI Agent设备的配置空间，普通PCI设备都是用这种配置头；为1表示使用PCI桥的配置空间，PCI桥使用这种配置头。系统软件需要使用该寄存器区分不同类型的PCI配置空间。
(4)Cache Line Size寄存器
该寄存器记录处理器使用的Cache行长度。在PCI总线中和cache相关的总线事务，如存储器写无效等需要使用这个寄存器。该寄存器由系统软件设置，硬件逻辑使用。
(5)Expansion ROM base address寄存器
有些PCI设备在处理器还没有运行操作系统前，就需要完成基本的初始化。为了实现这个"预先执行"功能，PCI设备需要提供一段ROM程序，而处理器在初始化过程中将运行这段ROM程序，初始化这些PCI设备。Expansion ROM base address寄存器记载这段ROM程序的基地址。
(6)Capabilities Pointer寄存器
在PCI设备中，该寄存器是可选的，但是在PCIe设备中必须支持这个寄存器，Capabilities Pointer寄存器存放Capabilitise寄存器组的基地址，利用Capabilities寄存器组存放一些与PCI设备相关的扩展配置信息。
(7)Base Address Register 0~5寄存器
该组寄存器简称为BAR寄存器，BAR寄存器保存PCI设备使用的地址空间的基地址，该基地址保存的是该设备在PCI总线域中的地址。在PCI设备复位之后，该寄存器存放PCI设备需要使用的基址空间大小，这段空间是I/O空间还是存储器空间。系统软件可以使用该寄存器，获取PCI设备使用的BAR空间的长度，其方法是向BAR寄存器写入0xFFFFFFFF，之后在读取该寄存器。
PCIe扩展了配置空间大小，最大支持到4K。其中：
1) 0 - 3Fh 是基本配置空间，PCI和PCIe都支持
2) PCI Express Capability Structure ，PCI可选支持，PCIe支持
3) PCI Express Extended Capability Structure，PCI不支持，PCIe支持
利用IO的访问方式只能访问256Byte空间，所以为了访问4K Byte，支持通过mmio的方式访问配置空间，但是为了兼容性，保留了I/O访问方式。
先分别看下基于pci总线和pcie总线的拓扑图：
PCIe与PCI两者在电器特性上差别很大，这里不做主要阐述。两类总线拓扑结构上的主要变化就是PCIe支持端到端的连接，无法像PCI一样，在一条总线上挂接多个设备或桥。PCIe在软件上是兼容PCI总线的，对于这两种总线的拓扑结构是有一定的转换关系的：
对于PCIe的RC等价于PCI中的Host Bridge
device都是相同的
对于Bridge和switch的转换关系如下图
IOMMU主要功能包括DMA Remapping和Interrupt Remapping，这里主要讲解DMA Remapping，Interrupt Remapping会独立讲解。对于DMA Remapping，IOMMU与MMU类似。IOMMU可以将一个设备访问地址转换为存储器地址，下图针对有无IOMMU情况说明IOMMU作用。
在没有IOMMU的情况下，网卡接收数据时地址转换流程，RC会将网卡请求写入地址addr1直接发送到DDR控制器，然后访问DRAM上的addr1地址，这里的RC对网卡请求地址不做任何转换，网卡访问的地址必须是物理地址。
对于有IOMMU的情况，网卡请求写入地址addr1会被IOMMU转换为addr2，然后发送到DDR控制器，最终访问的是DRAM上addr2地址，网卡访问的地址addr1会被IOMMU转换成真正的物理地址addr2，这里可以将addr1理解为虚机地址。
左图是没有IOMMU的情况，对于此种情况虚机无法实现设备的透传，原因主要有两个：一是因为在没有IOMMU的情况下，设备必须访问真实的物理地址HPA，而虚机可见的是GPA；二是如果让虚机填入真正的HPA，那样的话相当于虚机可以直接访问物理地址，会有安全隐患。所以针对没有IOMMU的情况，不能用透传的方式，对于设备的直接访问都会有VMM接管，这样就不会对虚机暴露HPA。
右图是有IOMMU的情况，虚机可以将GPA直接写入到设备，当设备进行DMA传输时，设备请求地址GPA由IOMMU转换为HPA（硬件自动完成），进而DMA操作真实的物理空间。IOMMU的映射关系是由VMM维护的，HPA对虚机不可见，保障了安全问题，利用IOMMU可实现设备的透传。这里先留一个问题，既然IOMMU可以将设备访问地址映射成真实的物理地址，那么对于右图中的Device A和Device B，IOMMU必须保证两个设备映射后的物理空间不能存在交集，否则两个虚机可以相互干扰，这和IOMMU的映射原理有关，后面会详细介绍。
根据上一节内容，总结IOMMU主要作用如下：
l 屏蔽物理地址，起到保护作用。典型应用包括两个：一是实现用户态驱动，由于IOMMU的映射功能，使HPA对用户空间不可见，在vfio部分还会举例。二是将设备透传给虚机，使HPA对虚机不可见，并将GPA映射为HPA。
l IOMMU可以将连续的虚拟地址映射到不连续的多个物理内存片段，这部分功能于MMU类似，对于没有IOMMU的情况，设备访问的物理空间必须是连续的，IOMMU可有效的解决这个问题。
前面简单介绍了IOMMU的映射功能，下面讲述IOMMU到底如何实现映射的，为便于分析，这里先不考虑虚拟化的场景，以下图为例，阐述工作原理。
IOMMU的主要功能就是完成映射，类比MMU利用页表实现VA->PA的映射，IOMMU也需要用到页表，那么下一个问题就是如何找到页表。在设备发起DMA请求时，会将自己的Source Identifier(包含Bus、Device、Func)包含在请求中，IOMMU根据这个标识，以RTADDR_REG指向空间为基地址，然后利用Bus、Device、Func在Context Table中找到对应的Context Entry，即页表首地址，然后利用页表即可将设备请求的虚拟地址翻译成物理地址。这里做以下说明：
图中红线的部门，是两个Context Entry指向了同一个页表。这种情况在虚拟化场景中的典型用法就是这两个Context Entry对应的不同PCIe设备属于同一个虚机，那样IOMMU在将GPA->HPA过程中要遵循同一规则；
由图中可知，每个具有Source Identifier(包含Bus、Device、Func)的设备都会具有一个Context Entry。如果不这样做，所有设备共用同一个页表，隶属于不同虚机的不同GPA就会翻译成相同HPA，会产生问题。
有了页表之后，就可以按照MMU那样进行地址映射工作了，这里也支持不同页大小的映射，包括4KB、2MB、1GB，不同页大小对应的级数也不同，下图以4KB页大小为例说明，映射过程和MMU类似，不再详细阐述。
在讲述IOMMU的工作原理时，讲到了设备利用自己的Source Identifier(包含Bus、Device、Func)来找到页表项来完成地址映射，不过存在下面几个特殊情况需要考虑。
l 对于由PCIe switch扩展出的PCI桥及桥下设备，在发送DMA请求时，Source Identifier是PCIe switch的，这样的话该PCI桥及桥下所有设备都会使用PCIe switch的Source Identifier去定位Context Entry，找到的页表也是同一个，如果将这个PCI桥下的不同设备分给不同虚机，由于会使用同一份页表，这样会产生问题，针对这种情况，当前PCI桥及桥下的所有设备必须分配给同一个虚机，这就是VFIO中组的概念，下面会再讲到。
l 对于SRIO-V，之前介绍过VF的Bus及devfn的计算方法，所以不同VF会有不同的Source Identifier，映射到不同虚机也是没有问题的。
VFIO就是内核针对IOMMU提供的软件框架，支持DMA Remapping和Interrupt Remapping，这里只讲DMA Remapping。VFIO利用IOMMU这个特性，可以屏蔽物理地址对上层的可见性，可以用来开发用户态驱动，也可以实现设备透传。
先介绍VFIO中的几个重要概念，主要包括Group和Container。
1) Group：group 是IOMMU能够进行DMA隔离的最小硬件单元，一个group内可能只有一个device，也可能有多个device，这取决于物理平台上硬件的IOMMU拓扑结构。 设备直通的时候一个group里面的设备必须都直通给一个虚拟机。 不能够让一个group里的多个device分别从属于2个不同的VM，也不允许部分device在host上而另一部分被分配到guest里， 因为就这样一个guest中的device可以利用DMA攻击获取另外一个guest里的数据，就无法做到物理上的DMA隔离。
2) Container：对于虚机，Container 这里可以简单理解为一个VM Domain的物理内存空间。对于用户态驱动，Container可以是多个Group的集合。
上图中PCIe-PCI桥下的两个设备，在发送DMA请求时，PCIe-PCI桥会为下面两个设备生成Source Identifier，其中Bus域为红色总线号bus，device和func域为0。这样的话，PCIe-PCI桥下的两个设备会找到同一个Context Entry和同一份页表，所以这两个设备不能分别给两个虚机使用，这两个设备就属于一个Group。
这里先以简单的用户态驱动为例，在设备透传小节中，在分析如何利用vfio实现透传。
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对于dev下Group就是按照上一节介绍的Group划分规则产生的，上述代码描述了如何使用VFIO实现映射，对于Group和Container的相关操作这里不做过多解释，主要关注如何完成映射，下图解释具体工作流程。
首先，利用mmap映射出1MB字节的虚拟空间，因为物理地址对于用户态不可见，只能通过虚拟地址访问物理空间。然后执行ioctl的VFIO_IOMMU_MAP_DMA命令，传入参数主要包含vaddr及iova，其中iova代表的是设备发起DMA请求时要访问的地址，也就是IOMMU映射前的地址，vaddr就是mmap的地址。VFIO_IOMMU_MAP_DMA命令会为虚拟地址vaddr找到物理页并pin住（因为设备DMA是异步的，随时可能发生，物理页面不能交换出去），然后找到Group对应的Contex Entry，建立页表项，页表项能够将iova地址映射成上面pin住的物理页对应的物理地址上去，这样对用户态程序完全屏蔽了物理地址，实现了用户空间驱动。IOVA地址的0 - 0x100000对应DRAM地址0x10000000 - 0x10100000，size为1024 * 1024。一句话概述，VFIO_IOMMU_MAP_DMA这个命令就是将iova通过IOMMU映射到vaddr对应的物理地址上去。
设备透传就是由虚机直接接管设备，虚机可以直接访问MMIO空间，VMM配置好IOMMU之后，设备DMA读写请求也无需VMM借入，需要注意的是设备的配置空间没有透传，因为VMM已经配置好了BAR空间，如果将这部分空间也透传给虚机，虚机会对BAR空间再次配置，会导致设备无法正常工作。
在介绍透传之前，先看下虚机的GPA与HVA和HPA的关系，以及虚机是如何访问到真实的物理地址的，过程如下图。
一旦页表建立好后，整个映射过程都是硬件自动完成的，对于上图有如下几点说明：
1) 对于虚机内的页表，完成GVA到GPA的映射，虽然整个过程都是硬件自动完成，但有一点要注意下，在虚机的中各级页表也是存储在HPA中的，而CR3及各级页表中装的地址都是GPA，所以在访问页表时也需要借助EPT，上图中以虚线表示这个过程;
2) 利用虚机页表完成GVA到GPA的映射后，此时借助EPT实现GPA到HPA的映射，这里没有什么特殊的，就是一层层页表映射;
3) 看完上图，有没有发现少了点啥，是不是没有HVA。单从上图整个虚机寻址的映射过程来看，是不需要HVA借助的，硬件会自动完成GVA->GPA->HPA映射，那么HVA有什么用呢？这里从下面两方面来分析：1）Qemu利用iotcl控制KVM实现EPT的映射，映射的过程中必然要申请物理页面。Qemu是应用程序，唯一可见的只是HVA，这时候又需要借助mmap了，Qemu会根据虚机的ram大小，即GPA大小范围，然后mmap出与之对应的大小，即HVA。通过KVM_SET_USER_MEMORY_REGION命令控制KVM，与这个命令一起传入的参数主要包括两个值，guest_phys_addr代表虚机GPA地址起始，userspace_addr代表上面mmap得到的首地址（HVA）。传入进去后，KVM就会为当前虚机GPA建立EPT映射表实现GPA->HPA，同时会为VMM建立HVA->HPA映射。2）当vm_exit发生时，VMM需要对异常进行处理，异常发生时VMM能够获取到GPA，有时VMM需要访问虚机GPA对应的HPA，VMM的映射和虚机的映射方式不同，是通过VMM完成HVA->HPA，且只能通过HVA才能访问HPA，这就需要VMM将GPA及HVA的对应关系维护起来，这个关系是Qemu维护的，这里先不管Qemu的具体实现（后面会有专门文档介绍），当前只需要知道给定一个虚机的GPA，虚机就能获取到GPA对应的HVA。下图描述VMM与VM的地址映射关系。
在前面介绍VFIO的使用实例时，核心思想就是IOVA经过IOMMU映射出的物理地址与HVA经过MMU映射出的物理地址是同一个。对于设备透传的情况，先上图，然后看图说话。
先来分析一下设备的DMA透传的工作流程，一旦设备透传给了虚机，虚机在配置设备DMA时直接使用GPA。此时GPA经由EPT会映射成HPA1，GPA经由IOMMU映射的地址为HPA2，此时的HPA1和HPA2必须相等，设备的透传才有意义。下面介绍在配置IOMMU时如何保证HPA1和HPA2相等，在VFIO章节讲到了VFIO_IOMMU_MAP_DMA这个命令就是将iova通过IOMMU映射到vaddr对应的物理地址上去。对于IOMMU来讲，此时的GPA就是iova，我们知道GPA经由EPT会映射为HPA1，对于VMM来讲，这个HPA1对应的虚机地址为HVA，那样的话在传入VFIO_IOMMU_MAP_DMA命令时讲hva作为vaddr，IOMMU就会将GPA映射为HVA对应的物理地址及HPA1，即HPA1和HPA2相等。上述流程帮助理清整个映射关系，实际映射IOMMU的操作很简单，前面提到了qemu维护了GPA和HVA的关系，在映射IOMMU的时候也可以派上用场。注：IOMMU的映射在虚机启动时就已经建立好了，映射要涵盖整个GPA地址范围，同时虚机的HPA对应的物理页都不会交换出去（设备DMA交换是异步的）。
这里以PCI设备为例讲述VFIO PassThrough具体实现(VFIO不仅仅支持PCI设备)。对于一个透传给虚机的PCI设备，主要处理config空间透传、BAR空间透传和中断三方面，下面分别讲述如何实现这两方面的透传。
对于config空间，或者是模拟，或者是透传，具体行为由qemu和vfio两个模块共同决定。qemu中可以有选择的进行模拟，在qemu不模拟的情况下调用vfio提供的io操作对设备进行读写，然后再由vfio决定是否模拟。整体软件实现框图如下：
当虚机访问透传设备的config空间时，触发vm_exit，然后qemu会调用被访问设备的vfio_pci_read_config或vfio_pci_write_config操作。对于读操作，会查看当前读取的config空间是否被qemu模拟，如果模拟，则直接读取qemu中保存的config值，否则调用vfio提供的read接口进行读取。对于写操作，会直接调用vfio提供的write接口，对于不可写的操作在vfio中会有屏蔽。然后在回到qemu中，更新qemu模拟位状态。qemu处在用户态，必须经由vfio完成与物理设备的交互。目前qemu中模拟的比较重要的就是msi相关的。
对于vfio的读写最终会调用perm->readfn或perm->writefn，对于这两个操作的实质就是或者模拟config空间，或者透传config空间。对于每一个cap都定了一个perm选项，其中说明了哪些属性需要模拟，是否可写等。如果可写，且不模拟，则直接透传到物理pci设备上去，否则进行模拟。以cap_perms[PCI_CAP_ID_EXP]为例，对于PCI_EXP_DEVCTL_BCR_FLR、PCI_EXP_DEVCTL_PAYLOAD、PCI_EXP_DEVCTL_READRQ是需要模拟的，这里又分为两种情况，对于PCI_EXP_DEVCTL_BCR_FLR和PCI_EXP_DEVCTL_READRQ这种，软件进行了模拟，但是确没有满足虚机的需求，所以在vfio_exp_config_write中会执行对物理设备的操作（这里对物理设备进行了操作，但是却没有直接将config透传，是因为对物理设备操作前还需要进行检查）。对于PCI_EXP_DEVCTL_PAYLOAD，因为这个属性和物理机的pci拓扑相关，如果按照虚机拓扑对物理设备修改了就会出现问题，所以这个字段需要模拟，并且不需要物理设备有任何响应。
在qemu中，vfio_map_bars函数会调用vfio提供的vfio_pci_mmap，进而将透传pci设备的bar地址空间(HPA)映射出的HVA返回给qemu，在虚机内部，也会对pci设备枚举并初始化bar空间，这个初始化的值就是GPA，将这个GPA与上面的HPA建立EPT映射，即可完成BAR空间的透传，不过这里需要注意下：对于支持MSI-X的设备，由于MSI-X的table表会存在于bar地址空间中，而MSI-X的配置不能直接给虚机，否则虚机可以通过配置这个中断影响物理机，所以在对bar空间做透传时要除掉MSI-X table占用的bar空间。
Q：HVA与GPA啥时建立关系的
A：虚机写入pci设备bar空间时，这个写入地址为GPA，此时将这个GPA与真实物理设备的BAR地址建立映射关系。
目前内核使用的是Posted Interrupt方式，对于Posted Interrupt具体实现见Posted Interrupt。以MSI中断为例，当虚机内部为透传设备配置中断时，会触发vm_exit，这时会调用qemu中vfio_pci_write_config->vfio_msi_enable，在vfio_msi_enable中，主要做了两件事：
vfio_add_kvm_msi_virq向KVM中注入监听事件，当虚机写入MSI配置空间时，可以获取到MSI message(包括addredd和data，data中包含了设备在虚机内部使用的中断号)，在向KVM注入事件时需要传入虚机内部使用的中断号，这个中断号在Posted Interrupt时会使用。
vfio_enable_vectors利用vfio提供的VFIO_DEVICE_SET_IRQS命令为透传设备申请真正的中断，因为中断相关的配置都不允许虚机直接访问，必须借助VFIO提供的IO接口实现。此时，会在物理机内申请中断，中断服务程序在VFIO内实现，服务程序主要激活步骤1中的监听事件，然后再调用Posted Interrupt。
整个中断初始化和触发流程如下：
当透传设备产生中断时，vfio_msihandler ISR执行，该函数不做实际的服务程序处理，仅仅通过eventfd_signal激活irqfd_inject，然后最终调用deliver_posted_interrupt向虚机注入中断，中断号即为虚机配置透传设备时的中断号。
下面从一个物理机启动->虚机启动整个过程描述设备如何透传到虚机，并正常工作的，以昆仑MPW卡为例。
step 1，物理机启动，BIOS完成PCI设备的配置，包括初始化config空间，分配BAR地址空间
step 2，由于内核开启IOMMU支持，会为当前设备分配iommu group
step 3，加载vfio驱动，并与mpw卡关联
step 4，qemu启动虚机，并将mpw卡设备透传给虚机
step 5，前面4个步骤中不涉及虚机，纯粹的物理机操作。当虚机启动后（假设虚机运行linux内核），会根据qemu构建的虚机PCI拓扑为pci设备初始化，包括配置config空间、分配BAR地址空间，这里过程与step1类似，但是行为差别很大。这里说明一下，对于透传设备、virtio设备等，不同的设备实现也不同，这里仅讲述对于透传设备的实现
step 6，当虚机配置mpw卡的config空间时，会用到in、out系列IO指令，这样会造成虚机的vm_exit，qemu中可以截获这个行为，并选择是采取模拟的方式还是利用vfio提供的io接口实现，详细过程见第1节。这里有两个特殊处理，一个是BAR空间的配置，一个是中断的配置
Step 7， 首先透传的优势是高效，在虚机使用设备时，触发vm_exit的情况越少越好，但是又不能放给虚机过大权限，否则会影响到物理机，比如一些特殊的config寄存器，如Max Payload，中断等。在虚机利用in、out指令时会vm_exit，这个影响不大，目前大部分PCI设备的BAR空间都是采用MMIO的方式访问，当设备正常工作时，大部分采用的是mmio的方式。所以要尽可能的保证在mmio访问时，不会vm_exit。也就是将BAR空间透传给虚机，根据EPT映射关系，如果物理机建立好了GPA到HPA的映射，就不会vm_exit，以此来提供效率。先来说HPA，HPA即为物理机在step1中为mpw卡分配的bar地址。GPA为step5-6中，虚机为透传设备分配的BAR空间，在step6中，已经记录了虚机对BAR空间的配置，所以也可以获取到GPA，有了HPA和GPA，建立EPT映射就可以实现BAR地址空间的透传。不过有一种情况需要特殊考虑，就是MSI-X。因为MSI-X的table会放在BAR空间上，而虚机是不允许直接访问中断相关配置的，所以对于MSI-X table的相关BAR空间是不允许直接透传给虚机的
step 8，以使用MSI中断的情况为例，当虚拟配置透传设备的MSI相关寄存器时，会vm_exit。qemu会记录虚机内透传设备使用的中断号并传递给kvm，同时利用vfio的VFIO_DEVICE_SET_IRQS命令在物理机中注册中断，当硬件设备产生中断时，首先物理机会执行服务程序，服务程序主要工作是发送eventfd_signal，激活kvm中的irqfd_inject，最终调用deliver_posted_interrupt向虚机注入中断，祥见第3节。
通过以上步骤，虚机可以访问设备的config空间(模拟或直接访问物理设备)，可以访问BAR空间(除MSI-X table外都可透传)，中断(利用vfio VFIO_DEVICE_SET_IRQS、kvm协同实现)。
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原文链接参考：
https://blog.csdn.net/hx_op/article/details/104029386
https://blog.csdn.net/hx_op/article/details/104029622
https://blog.csdn.net/hx_op/java/article/details/104029810
