arm架構(gòu)的虛擬化是什么

本篇將繼續(xù)帶大家了解Arm虛擬化的相關(guān)內(nèi)容。

介紹了虛擬化和hypervisor的基本概念。為了配合虛擬化，Arm做了許多工作，首先是定義了四個(gè)異常等級(jí)（Exception Level，簡稱EL）。前面介紹異常和特權(quán)的文章中有介紹，此處再啰嗦幾句。每個(gè)異常級(jí)別都有編號(hào)，分別是EL0-3，權(quán)限級(jí)別越高，對應(yīng)的編號(hào)越高。用戶程序運(yùn)行在EL0，操作系統(tǒng)運(yùn)行在EL1，虛擬機(jī)監(jiān)控程序（hypervisor）運(yùn)行在EL2，固件程序（firmware）運(yùn)行在EL3。這里插一句，在intel的體系中，類似的概念是ring0-3。

圖1

在Arm的架構(gòu)下，系統(tǒng)寄存器在不同的異常等級(jí)下是獨(dú)立的寄存器，在指令集中有自己的編碼，并在硬件中單獨(dú)實(shí)現(xiàn)。這些系統(tǒng)寄存器可以根據(jù)后綴區(qū)分出可以訪問的等級(jí)。例如，TTBR0_EL1是保存轉(zhuǎn)換表基址的寄存器。如果EL0訪問此寄存器，將會(huì)觸發(fā)一個(gè)異常。

在高異常等級(jí)下可以訪問低異常等級(jí)的寄存器，雖然大多數(shù)情況下不會(huì)這么做。但在某些場景下，還是需要的。比如在上下文切換或電源管理操作期間，更多特權(quán)級(jí)別有時(shí)會(huì)訪問與較低異常級(jí)別關(guān)聯(lián)的寄存器，以實(shí)現(xiàn)虛擬化功能或讀寫寄存器集，作為保存和還原操作的一部分。

除了異常等級(jí)，還有兩個(gè)概念：執(zhí)行狀態(tài)（execution state）和安全狀態(tài)（security state）。

Armv8-A有兩種可用的執(zhí)行狀態(tài)：

AArch32：32位執(zhí)行狀態(tài)。此狀態(tài)下的操作與Armv7-A兼容。有兩個(gè)可用的指令集：T32和A32。標(biāo)準(zhǔn)寄存器寬度為32位。

AArch64：64位執(zhí)行狀態(tài)。有一個(gè)可用的指令集：A64。標(biāo)準(zhǔn)寄存器寬度為64位。

Armv8-A架構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩種安全狀態(tài)，允許對軟件進(jìn)行進(jìn)一步的分區(qū)，以隔離和劃分受信任的軟件：

安全狀態(tài)：在此狀態(tài)下，處理單元（Processing Element）可以訪問安全的和非安全的物理地址空間。在這種狀態(tài)下，PE可以訪問安全和非安全系統(tǒng)寄存器。在這種狀態(tài)下運(yùn)行的軟件只能響應(yīng)安全中斷。

非安全狀態(tài)：在此狀態(tài)下，PE只能訪問非安全物理地址空間。PE也只能訪問允許非安全訪問的系統(tǒng)寄存器。在此狀態(tài)下運(yùn)行的軟件只能響應(yīng)非安全中斷。

有了以上的概念，我們來看一下AArch64的虛擬化，如下圖。圖中安全狀態(tài)的EL2用灰色顯示，是因?yàn)榘踩珷顟B(tài)的EL2并不總是可用。

圖2

說起虛擬化，其實(shí)可以分為幾大塊：CPU虛擬化，內(nèi)存虛擬化，IO虛擬化，中斷虛擬化。CPU虛擬化這里沒太多好講的，區(qū)分虛擬機(jī)（VM）和虛擬CPU(vCPU)就好，方便閱讀文檔。一個(gè)虛擬機(jī)里面可能包含一個(gè)或多個(gè)虛擬CPU。VM不等同于vCPU，比如，一個(gè)內(nèi)存頁面可以被分配一個(gè)VM，因此所有屬于該VM的所有vCPU都可以訪問它。而一個(gè)虛擬中斷只是針對某個(gè)vCPU，因此只有該vCPU可以收到。在Arm的文檔里，關(guān)于處理器更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x是處理單元（Processing Element，PE），因?yàn)镃PU可能包含多個(gè)內(nèi)核或線程，而PE用來指代單一的執(zhí)行單元。

圖3

接下來先來看看內(nèi)存虛擬化。百度百科的定義是這樣的，“虛擬內(nèi)存是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存管理的一種技術(shù)。它使得應(yīng)用程序認(rèn)為它擁有連續(xù)的可用的內(nèi)存（一個(gè)連續(xù)完整的地址空間），而實(shí)際上，它通常是被分隔成多個(gè)物理內(nèi)存碎片，還有部分暫時(shí)存儲(chǔ)在外部磁盤存儲(chǔ)器上，在需要時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換”。講內(nèi)存虛擬化之前要了解一下虛擬地址（Virtual Address,VA）。在最早期的計(jì)算機(jī)中，程序是直接訪問物理地址（Physical Address）的。如果每次只運(yùn)行一個(gè)程序，這種直接訪問物理地址的方式?jīng)]有問題，但是如果要運(yùn)行多個(gè)程序，就會(huì)帶來很多問題。比如，如何防止惡意程序訪問為其它程序分配的物理內(nèi)存，或者如何避免內(nèi)存碎片等等。為了解決直接訪問物理地址帶來的種種問題，人們想出了一個(gè)辦法，在直接訪問物理地址前加上一個(gè)間接地址。這樣，程序中訪問的內(nèi)存地址不再是實(shí)際的物理內(nèi)存地址，而是一個(gè)虛擬地址，然后由操作系統(tǒng)將這個(gè)虛擬地址映射到適當(dāng)?shù)奈锢韮?nèi)存地址上。這樣，只要操作系統(tǒng)管理好虛擬地址到物理內(nèi)存地址的映射，就可以保證不同的程序最終訪問的內(nèi)存地址位于不同的區(qū)域，而且可以加上地址保護(hù)策略，隔絕程序間互相訪問。

為了支持虛擬化，Armv8-A支持兩步地址轉(zhuǎn)換，也就是文檔常提到的Stage2translation。Stage2轉(zhuǎn)換允許hypervisor控制虛擬機(jī)（VM）的內(nèi)存視圖。具體來說，它允許hypervisor控制虛擬機(jī)可以訪問哪些系統(tǒng)資源，以及這些資源在虛擬機(jī)地址空間中的位置。Stage2轉(zhuǎn)換使得虛擬機(jī)只能看到分配給它自己的資源，而看不到分配給其它虛擬機(jī)或hypervisor的資源。

圖4

操作系統(tǒng)（OS）控制一組地址轉(zhuǎn)換表，負(fù)責(zé)從虛擬地址空間映射到它認(rèn)為是物理地址空間的。由hypervisor負(fù)責(zé)控制第二步地址轉(zhuǎn)換，得到真實(shí)的物理地址。

操作系統(tǒng)控制的轉(zhuǎn)換稱為階段1（Stage1）轉(zhuǎn)換，管理程序控制的轉(zhuǎn)換稱為階段2（Stage2）轉(zhuǎn)換。操作系統(tǒng)認(rèn)為是物理內(nèi)存的地址空間稱為中間物理地址（Intermediate Physical Address，IPA）空間。所以，地址轉(zhuǎn)換的過程是VA->IPA->PA。

每個(gè)VM會(huì)被分配一個(gè)虛擬機(jī)標(biāo)識(shí)符（virtual machine identifier，VMID）。VMID用于標(biāo)記TLB條目，以標(biāo)識(shí)每個(gè)條目所屬的哪個(gè)VM。此標(biāo)記允許TLB中同時(shí)存在多個(gè)不同VM的翻譯。TLB條目也可以用地址空間標(biāo)識(shí)符（address space identifier，ASID）進(jìn)行標(biāo)記。操作系統(tǒng)為應(yīng)用程序分配一個(gè)ASID，該應(yīng)用程序中的所有TLB條目都標(biāo)記有該ASID。這意味著不同應(yīng)用程序的TLB條目能夠在TLB中共存，而不存在一個(gè)應(yīng)用程序使用屬于不同應(yīng)用程序的TLB條目的可能性。每個(gè)VM都有自己的ASID命名空間。例如，兩個(gè)虛擬機(jī)可能都使用ASID 5，但它們用于不同的用途。

Stage1和Stage2映射都包含屬性，如類型和訪問權(quán)限。內(nèi)存管理單元（MMU）將兩個(gè)階段的屬性組合在一起，以給出最終的有效值。MMU通過選擇限制性更強(qiáng)的階段來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。下圖的例子中，device類型比normal類型更具限制性。因此，最后的類型是device。如果反過來，Stage1=normal，Stage2=device，最后的結(jié)果是一樣。