ARMv8處理器   CPU

基于ARMv8的系統(tǒng)中的虛擬化工具在這些系統(tǒng)中起著特殊的作用，它由幾個(gè)組件組成，雖然ARMv7具有特殊的CPU模式來運(yùn)行虛擬機(jī)管理程序作為擴(kuò)展，但在ARMv8中，它已成為架構(gòu)的一部分，并且已經(jīng)以名稱EL2集成到特權(quán)級(jí)系統(tǒng)中。同時(shí)，該模式僅解決與CPU訪問系統(tǒng)資源相關(guān)的問題，例如存儲(chǔ)器和外圍設(shè)備。為了提高虛擬化環(huán)境中設(shè)備啟動(dòng)的事務(wù)的效率，已經(jīng)為基于ARMv8的系統(tǒng)開發(fā)了許多組件，例如新的中斷控制器和IOMMU。本文從軟件開發(fā)的角度概述了這些工具組件。

基于ARMv8的系統(tǒng)中的虛擬化如圖1所示：EL2特權(quán)級(jí)別運(yùn)行虛擬機(jī)管理程序，控制虛擬機(jī)（VM）代碼的執(zhí)行以及它們之間的資源共享。EL1（OS內(nèi)核，特權(quán)代碼）和EL0（非特權(quán)代碼）的級(jí)別留給VM實(shí)例。地址轉(zhuǎn)換分兩個(gè)階段執(zhí)行（圖2）：在第一階段，使用第一級(jí)轉(zhuǎn)換表（TTBR0_EL1 / TTBR1_EL1寄存器中保存的指針）從虛擬地址計(jì)算所謂的中間物理地址（IPA）; 在第二階段，使用管理程序準(zhǔn)備的第二級(jí)表計(jì)算實(shí)際物理地址（指針存儲(chǔ)在VTTBR_EL2寄存器中）。這樣的組織架構(gòu)可以提供有效的權(quán)限分離和VM與硬件的隔離。

兩級(jí)轉(zhuǎn)換

兩級(jí)轉(zhuǎn)換允許VM維護(hù)自己的轉(zhuǎn)換表，同時(shí)還允許管理程序完全控制最終結(jié)果。EL2權(quán)限級(jí)別專門用于執(zhí)行管理程序代碼，與其他級(jí)別有一些差異。因此，它是特殊寄存器VTTBR_EL2、VTCR_EL2可訪問的最小特權(quán)級(jí)別以及用于VM管理的許多其他特權(quán)寄存器。

在ARMv8架構(gòu)的原始版本中，僅為管理程序提供了一個(gè)轉(zhuǎn)換表，而為當(dāng)前VM提供了另一個(gè)轉(zhuǎn)換表。管理程序可以訪問多個(gè)特殊寄存器，通過這些寄存器可以設(shè)置EL1級(jí)別的VM可見的配置參數(shù)，例如CPU標(biāo)識(shí)符（制造商，版本等）和多處理器系統(tǒng)ID。這允許將在同一系統(tǒng)上運(yùn)行的VM暴露給來自不同版本和制造商的虛擬SMP系統(tǒng)和CPU的不同拓?fù)洹?/p>

如果在VM中發(fā)生需要管理程序干預(yù)的事件，則其處理按如下方式執(zhí)行：

在EL2級(jí)別發(fā)生異常;

根據(jù)其類型，從表中調(diào)用相應(yīng)的處理程序（該地址存儲(chǔ)在VBAR_EL2寄存器中）;

執(zhí)行必要的行動(dòng);

如果需要，將所需值放入登記冊;

管理程序返回到退出發(fā)生的VM（如果設(shè)計(jì)了管理程序，則切換到另一個(gè)VM）。

圖2：兩個(gè)階段執(zhí)行的地址轉(zhuǎn)換

發(fā)生此類VM退出異常的事件由HCR_EL2寄存器位定義。因此，這些可以是系統(tǒng)寄存器訪問，包括EL1權(quán)限級(jí)別可用的訪問（例如，TTBR0_ EL1 / TTBR1_EL1，F(xiàn)AR_EL1），緩存和TLB刷新指令，常規(guī)異常（中斷，包括來自定時(shí)器和不支持的操作代碼的中斷），以及中斷和事件等待指令。兩級(jí)地址轉(zhuǎn)換啟用也由該寄存器控制。此外，EL2級(jí)還有一個(gè)單獨(dú)的硬件定時(shí)器，它允許管理程序配置周期性中斷，通常用于啟動(dòng)VM切換，類似于在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中切換任務(wù)的方式。

切換過程還包括保存當(dāng)前VM上下文，加載新VM以及將控制轉(zhuǎn)移給它。同時(shí)，VM可以以類似于EL0級(jí)別的非特權(quán)代碼執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用的方式執(zhí)行管理程序調(diào)用。為了執(zhí)行這樣的調(diào)用，VM將參數(shù)放在寄存器中并執(zhí)行“hvc”指令。這導(dǎo)致以標(biāo)準(zhǔn)方式處理的EL2權(quán)限級(jí)別的異常。通常，這在調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)化PSCI協(xié)議功能時(shí)發(fā)生。

還應(yīng)該提到的是，管理程序可以攔截從VM到可信代碼例程的調(diào)用（例如，在那里實(shí)現(xiàn)非虛擬化環(huán)境中的PSCI，并且在最高特權(quán)級(jí)別EL3處理對(duì)它的調(diào)用）。ARMv8架構(gòu)還包含用于提高虛擬化環(huán)境性能的其他工具：除了管理程序可以分配的可共享域以減少緩存一致性流量之外，還可以為每個(gè)VM分配其自己的標(biāo)識(shí)符或VMID。它的使用使得在切換VM時(shí)可以避免“昂貴的”TLB刷新。

原始版本的ARMv8提供了8位標(biāo)識(shí)符，后來擴(kuò)展為16位。此外，在ARMv8.1中，EL2級(jí)別的第二個(gè)轉(zhuǎn)換表TTBR1_EL2作為VM主機(jī)擴(kuò)展的一部分添加，因此，類型2的管理程序（它們是主機(jī)操作系統(tǒng)的一部分）具有更多可能性。同時(shí)，如上所述，全功能虛擬化需要VM與外圍設(shè)備（網(wǎng)絡(luò)適配器，存儲(chǔ)控制器等）進(jìn)行交互，同時(shí)最小化管理程序參與以及從設(shè)備到處理器的交付中斷。

系統(tǒng)存儲(chǔ)管理單元

ARMv8系統(tǒng)中虛擬化環(huán)境的各個(gè)方面由兩個(gè)單元處理：通用中斷控制器（GIC）和系統(tǒng)內(nèi)存管理單元（SMMU）（圖3）。SMMU執(zhí)行I / O地址轉(zhuǎn)換的方式與CPU啟動(dòng)的存儲(chǔ)訪問相同。該單元支持I / O地址的一級(jí)和兩級(jí)轉(zhuǎn)換。因此，可以在VM和管理程序中使用轉(zhuǎn)換和保護(hù)內(nèi)存區(qū)域的優(yōu)勢。因此，允許設(shè)備僅對(duì)特定存儲(chǔ)器地址范圍進(jìn)行讀/寫。

圖3：系統(tǒng)存儲(chǔ)管理單元（SMMU）