最近，T-Head 完成了基于 QEMU 的虛擬機(jī)虛擬 IOMMU 硬件支持的概念驗(yàn)證，基于 T-Head IOMMU 提案中的規(guī)范在其成立時提交給 IOMMU TG 作為其中之一候選人提案。 T-Head IOMMU 的虛擬 IOMMU 設(shè)計展示了一種向虛擬機(jī)公開與主機(jī)使用的虛擬 IOMMU 相同的虛擬 IOMMU 的方法。好處是來賓虛擬機(jī)可以直接重新使用完全相同的內(nèi)核驅(qū)動程序，并且消除了傳統(tǒng)解決方案中昂貴的基于軟件的仿真。

背景

出于性能或安全等原因，可以將物理 I/O 設(shè)備配置為由來賓虛擬機(jī)直接訪問，這種技術(shù)被廣泛稱為設(shè)備直通。直通設(shè)備受 IOMMU 轉(zhuǎn)換表的限制，因此它們只能對屬于它們所分配到的虛擬機(jī)的內(nèi)存區(qū)域執(zhí)行 DMA。從虛擬機(jī)的角度來看，直通設(shè)備表現(xiàn)為直接訪問虛擬機(jī)物理地址空間的外圍設(shè)備。如果不合并 IOMMU 供虛擬機(jī)使用，虛擬機(jī)會遇到與主機(jī)中的所有設(shè)備都不由 IOMMU 管理的情況相同的不便和缺點(diǎn)。它們不能被進(jìn)一步分配到虛擬機(jī)的用戶空間，也不能出于可靠性目的限制它們。

圖 1：模擬虛擬 IOMMU

如圖 1 所示，為虛擬機(jī)提供 IOMMU 的傳統(tǒng)解決方案是 trap-n-emulate 或半虛擬化。 Trap-n-emulate 很昂貴。雖然它向來賓虛擬機(jī)提供與主機(jī)使用的硬件 IOMMU 相同的 IOMMU，但是，來賓對虛擬 IOMMU 的訪問會觸發(fā)由主機(jī)處理的異常。處理是昂貴的。主機(jī)不僅需要模擬對虛擬 IOMMU 寄存器的訪問，還需要在虛擬機(jī)修改其內(nèi)存駐留翻譯結(jié)構(gòu)時將翻譯的兩個階段結(jié)合起來。后者是由于現(xiàn)有的硬件 IOMMU 不直接使用 guest 的轉(zhuǎn)換表，因?yàn)橛布恢С忠粋€階段的地址轉(zhuǎn)換。一些 IOMMU，例如 ARM SMMU v3，可以進(jìn)行嵌套地址轉(zhuǎn)換，也有內(nèi)核補(bǔ)丁可以直接使用guest的轉(zhuǎn)換表，但是補(bǔ)丁仍然是RFC，估計是硬件架構(gòu)定義的表結(jié)構(gòu)導(dǎo)致軟件交互復(fù)雜。

圖 2：半虛擬化 IOMMU

半虛擬化（如圖 2 所示）通過要求來賓虛擬機(jī)將其 IOMMU 配置顯式傳達(dá)給主機(jī)來減少仿真工作。最大的缺點(diǎn)是需要修改來賓和主機(jī)，因此，在某些環(huán)境中可能不可用。

T-Head 對虛擬 IOMMU 的硬件支持

T-Head的IOMMU提案試圖從硬件架構(gòu)開始解決上述缺點(diǎn)。簡要的想法是指定一個內(nèi)存區(qū)域（稱為狀態(tài)區(qū)域），用于呈現(xiàn)給來賓虛擬機(jī)的虛擬 IOMMU 的寄存器狀態(tài)。同時，主機(jī)的表結(jié)構(gòu)包括指向狀態(tài)區(qū)域的指針。當(dāng)需要轉(zhuǎn)換 DMA 請求時，IOMMU 會查找狀態(tài)區(qū)域，從中獲取轉(zhuǎn)換表和來賓虛擬機(jī)配置的虛擬 IOMMU 的狀態(tài)。隨后，硬件 IOMMU 以與主機(jī)結(jié)構(gòu)相同的方式遍歷來賓的表結(jié)構(gòu)，將所有地址視為來賓物理地址，即以嵌套轉(zhuǎn)換方式。

圖 3：T 頭的硬件輔助虛擬 IOMMU

T-Head 的虛擬 IOMMU（如圖 3 所示）避免了昂貴的仿真，因?yàn)榭蛻魴C(jī)的配置直接由硬件使用。也就是說，來賓正在與硬件支持的“直通”IOMMU 進(jìn)行交互。IOMMU 的接口由硬件 IOMMU 直接公開;它與主機(jī)的 IOMMU 相同。主機(jī)使用的完全相同的驅(qū)動程序可以直接重復(fù)使用。使用內(nèi)存來存儲虛擬 IOMMU 的階段使解決方案具有可擴(kuò)展性，而不受寄存器上的資源約束。

原型

我們已經(jīng)完成了QEMU和Linux/KVM的概念驗(yàn)證。我們在本機(jī) QEMU 中的 IOMMU 仿真代碼中添加了對根據(jù) T-Head 的 IOMMU 規(guī)范的嵌套轉(zhuǎn)換的支持。我們以以前的設(shè)備直通工作為基礎(chǔ)，在 RISC-V QEMU 中向 VFIO 層添加了嵌套的 IOMMU 支持。IOMMU 內(nèi)核驅(qū)動程序?yàn)?RISC-V QEMU 公開了一個新的 API，用于管理狀態(tài)區(qū)域并在轉(zhuǎn)換描述符中配置設(shè)備 ID，新 API 作為名為 /dev/xt_iommu 的設(shè)備文件存在，我們覆蓋了該文件上的 mmap 和寫入處理程序。

未來工作

我們將繼續(xù)評估和改進(jìn)當(dāng)前的原型和設(shè)計，包括在 RTL 中實(shí)現(xiàn)它。在適當(dāng)?shù)臅r候，我們希望將此解決方案貢獻(xiàn)給更大的RISC-V社區(qū)。

審核編輯：湯梓紅