从软件开发的角度概述ARMv8处理器架构中的虚拟化操作

ARMv8处理器   CPU

基于ARMv8的系统中的虚拟化工具在这些系统中起着特殊的作用，它由几个组件组成，虽然ARMv7具有特殊的CPU模式来运行虚拟机管理程序作为扩展，但在ARMv8中，它已成为架构的一部分，并且已经以名称EL2集成到特权级系统中。同时，该模式仅解决与CPU访问系统资源相关的问题，例如存储器和外围设备。为了提高虚拟化环境中设备启动的事务的效率，已经为基于ARMv8的系统开发了许多组件，例如新的中断控制器和IOMMU。本文从软件开发的角度概述了这些工具组件。

基于ARMv8的系统中的虚拟化如图1所示：EL2特权级别运行虚拟机管理程序，控制虚拟机（VM）代码的执行以及它们之间的资源共享。EL1（OS内核，特权代码）和EL0（非特权代码）的级别留给VM实例。地址转换分两个阶段执行（图2）：在第一阶段，使用第一级转换表（TTBR0_EL1 / TTBR1_EL1寄存器中保存的指针）从虚拟地址计算所谓的中间物理地址（IPA）; 在第二阶段，使用管理程序准备的第二级表计算实际物理地址（指针存储在VTTBR_EL2寄存器中）。这样的组织架构可以提供有效的权限分离和VM与硬件的隔离。

两级转换

两级转换允许VM维护自己的转换表，同时还允许管理程序完全控制最终结果。EL2权限级别专门用于执行管理程序代码，与其他级别有一些差异。因此，它是特殊寄存器VTTBR_EL2、VTCR_EL2可访问的最小特权级别以及用于VM管理的许多其他特权寄存器。

在ARMv8架构的原始版本中，仅为管理程序提供了一个转换表，而为当前VM提供了另一个转换表。管理程序可以访问多个特殊寄存器，通过这些寄存器可以设置EL1级别的VM可见的配置参数，例如CPU标识符（制造商，版本等）和多处理器系统ID。这允许将在同一系统上运行的VM暴露给来自不同版本和制造商的虚拟SMP系统和CPU的不同拓扑。

如果在VM中发生需要管理程序干预的事件，则其处理按如下方式执行：

在EL2级别发生异常;

根据其类型，从表中调用相应的处理程序（该地址存储在VBAR_EL2寄存器中）;

执行必要的行动;

如果需要，将所需值放入登记册;

管理程序返回到退出发生的VM（如果设计了管理程序，则切换到另一个VM）。

图2：两个阶段执行的地址转换

发生此类VM退出异常的事件由HCR_EL2寄存器位定义。因此，这些可以是系统寄存器访问，包括EL1权限级别可用的访问（例如，TTBR0_ EL1 / TTBR1_EL1，FAR_EL1），缓存和TLB刷新指令，常规异常（中断，包括来自定时器和不支持的操作代码的中断），以及中断和事件等待指令。两级地址转换启用也由该寄存器控制。此外，EL2级还有一个单独的硬件定时器，它允许管理程序配置周期性中断，通常用于启动VM切换，类似于在现代操作系统中切换任务的方式。

切换过程还包括保存当前VM上下文，加载新VM以及将控制转移给它。同时，VM可以以类似于EL0级别的非特权代码执行系统调用的方式执行管理程序调用。为了执行这样的调用，VM将参数放在寄存器中并执行“hvc”指令。这导致以标准方式处理的EL2权限级别的异常。通常，这在调用标准化PSCI协议功能时发生。

还应该提到的是，管理程序可以拦截从VM到可信代码例程的调用（例如，在那里实现非虚拟化环境中的PSCI，并且在最高特权级别EL3处理对它的调用）。ARMv8架构还包含用于提高虚拟化环境性能的其他工具：除了管理程序可以分配的可共享域以减少缓存一致性流量之外，还可以为每个VM分配其自己的标识符或VMID。它的使用使得在切换VM时可以避免“昂贵的”TLB刷新。

原始版本的ARMv8提供了8位标识符，后来扩展为16位。此外，在ARMv8.1中，EL2级别的第二个转换表TTBR1_EL2作为VM主机扩展的一部分添加，因此，类型2的管理程序（它们是主机操作系统的一部分）具有更多可能性。同时，如上所述，全功能虚拟化需要VM与外围设备（网络适配器，存储控制器等）进行交互，同时最小化管理程序参与以及从设备到处理器的交付中断。

系统存储管理单元

ARMv8系统中虚拟化环境的各个方面由两个单元处理：通用中断控制器（GIC）和系统内存管理单元（SMMU）（图3）。SMMU执行I / O地址转换的方式与CPU启动的存储访问相同。该单元支持I / O地址的一级和两级转换。因此，可以在VM和管理程序中使用转换和保护内存区域的优势。因此，允许设备仅对特定存储器地址范围进行读/写。

图3：系统存储管理单元（SMMU）