ARMv8處理器   CPU

基于ARMv8的系統中的虛擬化工具在這些系統中起著特殊的作用，它由幾個組件組成，雖然ARMv7具有特殊的CPU模式來運行虛擬機管理程序作為擴展，但在ARMv8中，它已成為架構的一部分，并且已經以名稱EL2集成到特權級系統中。同時，該模式僅解決與CPU訪問系統資源相關的問題，例如存儲器和外圍設備。為了提高虛擬化環境中設備啟動的事務的效率，已經為基于ARMv8的系統開發了許多組件，例如新的中斷控制器和IOMMU。本文從軟件開發的角度概述了這些工具組件。

基于ARMv8的系統中的虛擬化如圖1所示：EL2特權級別運行虛擬機管理程序，控制虛擬機（VM）代碼的執行以及它們之間的資源共享。EL1（OS內核，特權代碼）和EL0（非特權代碼）的級別留給VM實例。地址轉換分兩個階段執行（圖2）：在第一階段，使用第一級轉換表（TTBR0_EL1 / TTBR1_EL1寄存器中保存的指針）從虛擬地址計算所謂的中間物理地址（IPA）; 在第二階段，使用管理程序準備的第二級表計算實際物理地址（指針存儲在VTTBR_EL2寄存器中）。這樣的組織架構可以提供有效的權限分離和VM與硬件的隔離。

兩級轉換

兩級轉換允許VM維護自己的轉換表，同時還允許管理程序完全控制最終結果。EL2權限級別專門用于執行管理程序代碼，與其他級別有一些差異。因此，它是特殊寄存器VTTBR_EL2、VTCR_EL2可訪問的最小特權級別以及用于VM管理的許多其他特權寄存器。

在ARMv8架構的原始版本中，僅為管理程序提供了一個轉換表，而為當前VM提供了另一個轉換表。管理程序可以訪問多個特殊寄存器，通過這些寄存器可以設置EL1級別的VM可見的配置參數，例如CPU標識符（制造商，版本等）和多處理器系統ID。這允許將在同一系統上運行的VM暴露給來自不同版本和制造商的虛擬SMP系統和CPU的不同拓撲。

如果在VM中發生需要管理程序干預的事件，則其處理按如下方式執行：

在EL2級別發生異常;

根據其類型，從表中調用相應的處理程序（該地址存儲在VBAR_EL2寄存器中）;

執行必要的行動;

如果需要，將所需值放入登記冊;

管理程序返回到退出發生的VM（如果設計了管理程序，則切換到另一個VM）。

圖2：兩個階段執行的地址轉換

發生此類VM退出異常的事件由HCR_EL2寄存器位定義。因此，這些可以是系統寄存器訪問，包括EL1權限級別可用的訪問（例如，TTBR0_ EL1 / TTBR1_EL1，FAR_EL1），緩存和TLB刷新指令，常規異常（中斷，包括來自定時器和不支持的操作代碼的中斷），以及中斷和事件等待指令。兩級地址轉換啟用也由該寄存器控制。此外，EL2級還有一個單獨的硬件定時器，它允許管理程序配置周期性中斷，通常用于啟動VM切換，類似于在現代操作系統中切換任務的方式。

切換過程還包括保存當前VM上下文，加載新VM以及將控制轉移給它。同時，VM可以以類似于EL0級別的非特權代碼執行系統調用的方式執行管理程序調用。為了執行這樣的調用，VM將參數放在寄存器中并執行“hvc”指令。這導致以標準方式處理的EL2權限級別的異常。通常，這在調用標準化PSCI協議功能時發生。

還應該提到的是，管理程序可以攔截從VM到可信代碼例程的調用（例如，在那里實現非虛擬化環境中的PSCI，并且在最高特權級別EL3處理對它的調用）。ARMv8架構還包含用于提高虛擬化環境性能的其他工具：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VM分配其自己的標識符或VMID。它的使用使得在切換VM時可以避免“昂貴的”TLB刷新。

原始版本的ARMv8提供了8位標識符，后來擴展為16位。此外，在ARMv8.1中，EL2級別的第二個轉換表TTBR1_EL2作為VM主機擴展的一部分添加，因此，類型2的管理程序（它們是主機操作系統的一部分）具有更多可能性。同時，如上所述，全功能虛擬化需要VM與外圍設備（網絡適配器，存儲控制器等）進行交互，同時最小化管理程序參與以及從設備到處理器的交付中斷。

系統存儲管理單元

ARMv8系統中虛擬化環境的各個方面由兩個單元處理：通用中斷控制器（GIC）和系統內存管理單元（SMMU）（圖3）。SMMU執行I / O地址轉換的方式與CPU啟動的存儲訪問相同。該單元支持I / O地址的一級和兩級轉換。因此，可以在VM和管理程序中使用轉換和保護內存區域的優勢。因此，允許設備僅對特定存儲器地址范圍進行讀/寫。

圖3：系統存儲管理單元（SMMU）