基本原理

Trap&Emulate，即陷入&模擬的方式，是純軟件實現(xiàn)的全虛擬化方案，基本不借助硬件虛擬化功能。本文主要關(guān)注內(nèi)存虛擬化實現(xiàn)中的核心，TLB miss相關(guān)實現(xiàn)。基本原理是：

所有的TLB miss都將導(dǎo)致Guest退出到VMM處理，然后在VMM中進行相應(yīng)模擬。

具體實現(xiàn)原理描述如下：

• 當(dāng)前內(nèi)核版本(4.9)的實現(xiàn)方式定義了2中TLB：

  • Guest TLB。由Guest OS維護，用于映射GVA->GPA，本質(zhì)為一段內(nèi)存，用于模擬TLB，虛擬TLB，并不真實存在。該TLB不會被Guest OS直接使用，只用于生成Shadow TLB。Guest OS 在維護Guest TLB時,對 TLB 的讀寫指令會被虛擬機管理器(virtual machine monitor, VMM)捕捉并模擬,使 Guest OS 認為成功讀寫了硬件 TLB。
  • Shadow Host TLB，也是Host使用的物理TLB。由VMM(即Host維護)。對于Guest來說，用于映射GVA->HPA，對于Host來說，用于映射HVA->HPA。

• Guest最終通過Shadow Host TLB中的條目實現(xiàn)GVA到HPA的轉(zhuǎn)換，GPA->HPA的映射通過線性映射表實現(xiàn)。

• Guest中，任何TLB相關(guān)的操作都將觸發(fā)異常。

Guest OS做訪存操作時有如下幾中情況發(fā)生：

Shadow Host TLB(即硬件TLB)中剛好有該GVA到HPA的映射，此時不會發(fā)生異常，硬件TLB直接翻譯地址，正常訪問。

如果硬件TLB中不存在相應(yīng)映射條目，觸發(fā)TLB Miss異常。此時退出到VMM中進行處理。

• VMM先遍歷Guest TLB，如果找到相應(yīng)條目，則將Guest TLB中翻譯后的GPA轉(zhuǎn)換為HPA，然后填入Shadow Host TLB(硬件TLB)，并返回Guest OS繼續(xù)運行。
• 如果Guest TLB中沒有找到，則向Guest OS中注入TLB Load/Store異常(由Guest OS負責(zé)重填Guest TLB)，然后填入Shadow Host TLB(硬件TLB)，并返回Guest OS繼續(xù)運行。
• 當(dāng)Guest得到調(diào)度運行時，TLB Load/Store異常(General異常)入口，最終會進入page fault相關(guān)流程，完成Guest TLB重填。
• 重填TLB時，會調(diào)用類似TLBWR之類的之令，此時會再次觸發(fā)VM-Exit，VMM通過捕獲該異常，其中填入虛擬的Guest TLB、flust相應(yīng)的Shadow Host TLB條目，然后返回Guest OS繼續(xù)執(zhí)行。

代碼實現(xiàn)

kvm_mips_handle_tlbmiss

tlbmiss異常通用入口，在如下兩種情況下發(fā)生：

TLB Entry在Guest TLB和shadow host TLB中都不存在。這種情況下，將相應(yīng)異常注入Guest中，由Guest自己處理。

TLB Entry在Guest TLB中存在，但在shadow host TLB中不存在。這種情況下，由VMM根據(jù)Guest TLB中的相應(yīng)Entry填充shadow host TLB。

主要處理邏輯：

• 查找Guest TLB中是否存在相應(yīng)entry;
• 如果存在，則調(diào)用kvm_mips_handle_mapped_seg_tlb_fault填充shadow Host TLB(即物理TLB)；
• 如果不存在，則根據(jù)exccode向Guest中注入相應(yīng)的異常，比如TLB miss load異常，接口如kvm_mips_emulate_tlbmiss_ld。

具體代碼實現(xiàn)如下：

enum emulation_result kvm_mips_handle_tlbmiss(u32 cause,u32 *opc,struct kvm_run *run,struct kvm_vcpu *vcpu) {enum emulation_result er = EMULATE_DONE;/* 讀取異常類型碼 */u32 exccode = (cause >> CAUSEB_EXCCODE) & 0x1f;/* 獲取發(fā)送tlbmiss的地址，為GVA地址 */unsigned long va = vcpu->arch.host_cp0_badvaddr;int index;kvm_debug("kvm_mips_handle_tlbmiss: badvaddr: %#lx\n",vcpu->arch.host_cp0_badvaddr);/** KVM would not have got the exception if this entry was valid in the* shadow host TLB. Check the Guest TLB, if the entry is not there then* send the guest an exception. The guest exc handler should then inject* an entry into the guest TLB.*//* 查找Guest TLB(本質(zhì)為一段內(nèi)存，虛擬TLB，并不真實存在)，確認是否存在 */index = kvm_mips_guest_tlb_lookup(vcpu,(va & VPN2_MASK) |(kvm_read_c0_guest_entryhi(vcpu->arch.cop0) &KVM_ENTRYHI_ASID));/* 不存在 */if (index < 0) {/* 根據(jù)異常類型碼向Guest中注入不同的異常 */if (exccode == EXCCODE_TLBL) {/* TLB load異常 */er = kvm_mips_emulate_tlbmiss_ld(cause, opc, run, vcpu);} else if (exccode == EXCCODE_TLBS) {/* TLB set異常 */er = kvm_mips_emulate_tlbmiss_st(cause, opc, run, vcpu);} else {kvm_err("%s: invalid exc code: %d\n", __func__,exccode);er = EMULATE_FAIL;}} else {/* 如果在guest TLB中找到相應(yīng)條目 *//* 獲取相應(yīng)條目 */struct kvm_mips_tlb *tlb = &vcpu->arch.guest_tlb[index];/** Check if the entry is valid, if not then setup a TLB invalid* exception to the guest*//* 檢查條目是否可用，不可用，則再注入TLB相應(yīng)異常 */if (!TLB_IS_VALID(*tlb, va)) {if (exccode == EXCCODE_TLBL) {er = kvm_mips_emulate_tlbinv_ld(cause, opc, run,vcpu);} else if (exccode == EXCCODE_TLBS) {er = kvm_mips_emulate_tlbinv_st(cause, opc, run,vcpu);} else {kvm_err("%s: invalid exc code: %d\n", __func__,exccode);er = EMULATE_FAIL;}} else { /* 條目可用，則填充Host TLB */kvm_debug("Injecting hi: %#lx, lo0: %#lx, lo1: %#lx into shadow host TLB\n",tlb->tlb_hi, tlb->tlb_lo[0], tlb->tlb_lo[1]);/** OK we have a Guest TLB entry, now inject it into the* shadow host TLB*//* Host TLB的實際填充操作在kvm_mips_handle_mapped_seg_tlb_fault函數(shù)中完成*/if (kvm_mips_handle_mapped_seg_tlb_fault(vcpu, tlb)) {kvm_err("%s: handling mapped seg tlb fault for %lx, index: %u, vcpu: %p, ASID: %#lx\n",__func__, va, index, vcpu,read_c0_entryhi());er = EMULATE_FAIL;}}}return er;}

kvm_mips_emulate_tlbmiss_ld

實現(xiàn)向Guest中注入TLB load異常，本質(zhì)為：

設(shè)置CP0 Status中的ST0_EXL，然后將PC指向General異常的處理入口，Guest得到調(diào)度即可直接跳轉(zhuǎn)到異常入口執(zhí)行，實現(xiàn)異常注入。

enum emulation_result kvm_mips_emulate_tlbinv_ld(u32 cause,u32 *opc,struct kvm_run *run,struct kvm_vcpu *vcpu) {struct mips_coproc *cop0 = vcpu->arch.cop0;struct kvm_vcpu_arch *arch = &vcpu->arch;unsigned long entryhi =(vcpu->arch.host_cp0_badvaddr & VPN2_MASK) |(kvm_read_c0_guest_entryhi(cop0) & KVM_ENTRYHI_ASID);/** 讀取Guest C0中Status寄存器，判斷ST0_EXL(標(biāo)識當(dāng)前是否已經(jīng)處于異常狀態(tài)，* 如果已經(jīng)是，且再次觸發(fā)tlbmiss異常，此時不會重入，而會觸發(fā)General異常，* 即TLB load異常，也可以理解成X86中的缺頁異常)，如果沒有設(shè)置，則需要進行* 相應(yīng)設(shè)置，以便能向Guest中注入TLB load異常 */if ((kvm_read_c0_guest_status(cop0) & ST0_EXL) == 0) {/* save old pc */kvm_write_c0_guest_epc(cop0, arch->pc);/* 設(shè)置ST0_EXL標(biāo)記 */kvm_set_c0_guest_status(cop0, ST0_EXL);if (cause & CAUSEF_BD)kvm_set_c0_guest_cause(cop0, CAUSEF_BD);elsekvm_clear_c0_guest_cause(cop0, CAUSEF_BD);kvm_debug("[EXL == 0] delivering TLB INV @ pc %#lx\n",arch->pc);/* set pc to the exception entry point *//** 設(shè)置當(dāng)前的PC指針指向General異常的處理入口，這樣，當(dāng)Guest得到調(diào)度* 時，就能直接進入General異常處理流程中，其中會最終走到page fault* 相關(guān)流程，之前的文章中有相應(yīng)的原理描述*/arch->pc = KVM_GUEST_KSEG0 + 0x180;} else {/* 如果已經(jīng)設(shè)置了ST0_EXL標(biāo)記，則直接修改PC指針即可 */kvm_debug("[EXL == 1] delivering TLB MISS @ pc %#lx\n",arch->pc);arch->pc = KVM_GUEST_KSEG0 + 0x180;}/* 寫入EXCCODE為TLBL */kvm_change_c0_guest_cause(cop0, (0xff),(EXCCODE_TLBL << CAUSEB_EXCCODE));/* setup badvaddr, context and entryhi registers for the guest */kvm_write_c0_guest_badvaddr(cop0, vcpu->arch.host_cp0_badvaddr);/* XXXKYMA: is the context register used by linux??? */kvm_write_c0_guest_entryhi(cop0, entryhi);/* Blow away the shadow host TLBs */kvm_mips_flush_host_tlb(1);return EMULATE_DONE; }

kvm_mips_handle_mapped_seg_tlb_fault

主要完成任務(wù)：根據(jù)Guest TLB中的entry，填充Host TLB中相應(yīng)條目。

int kvm_mips_handle_mapped_seg_tlb_fault(struct kvm_vcpu *vcpu,struct kvm_mips_tlb *tlb) {unsigned long entryhi = 0, entrylo0 = 0, entrylo1 = 0;struct kvm *kvm = vcpu->kvm;kvm_pfn_t pfn0, pfn1;gfn_t gfn0, gfn1;long tlb_lo[2];int ret;tlb_lo[0] = tlb->tlb_lo[0];tlb_lo[1] = tlb->tlb_lo[1];/** The commpage address must not be mapped to anything else if the guest* TLB contains entries nearby, or commpage accesses will break.*/if (!((tlb->tlb_hi ^ KVM_GUEST_COMMPAGE_ADDR) &VPN2_MASK & (PAGE_MASK << 1)))tlb_lo[(KVM_GUEST_COMMPAGE_ADDR >> PAGE_SHIFT) & 1] = 0;/* 獲取gfn */gfn0 = mips3_tlbpfn_to_paddr(tlb_lo[0]) >> PAGE_SHIFT;gfn1 = mips3_tlbpfn_to_paddr(tlb_lo[1]) >> PAGE_SHIFT;if (gfn0 >= kvm->arch.guest_pmap_npages ||gfn1 >= kvm->arch.guest_pmap_npages) {kvm_err("%s: Invalid gfn: [%#llx, %#llx], EHi: %#lx\n",__func__, gfn0, gfn1, tlb->tlb_hi);kvm_mips_dump_guest_tlbs(vcpu);return -1;}/** 建立gfn和pfn的映射關(guān)系，本質(zhì)是通memslot中獲取對應(yīng)關(guān)系，然后設(shè)置guest_pmap線性* 映射數(shù)組，后面使用*/if (kvm_mips_map_page(kvm, gfn0) < 0)return -1;if (kvm_mips_map_page(kvm, gfn1) < 0)return -1;/* 獲取pfn */pfn0 = kvm->arch.guest_pmap[gfn0];pfn1 = kvm->arch.guest_pmap[gfn1];/* Get attributes from the Guest TLB *//* 從Guest TLB中獲取entrylo0、entrylo1、entryhi等關(guān)鍵信息，以便于后續(xù)將其寫入Host TLB */entrylo0 = mips3_paddr_to_tlbpfn(pfn0 << PAGE_SHIFT) |((_page_cachable_default >> _CACHE_SHIFT) << ENTRYLO_C_SHIFT) |(tlb_lo[0] & ENTRYLO_D) |(tlb_lo[0] & ENTRYLO_V);entrylo1 = mips3_paddr_to_tlbpfn(pfn1 << PAGE_SHIFT) |((_page_cachable_default >> _CACHE_SHIFT) << ENTRYLO_C_SHIFT) |(tlb_lo[1] & ENTRYLO_D) |(tlb_lo[1] & ENTRYLO_V);kvm_debug("@ %#lx tlb_lo0: 0x%08lx tlb_lo1: 0x%08lx\n", vcpu->arch.pc,tlb->tlb_lo[0], tlb->tlb_lo[1]);preempt_disable();entryhi = (tlb->tlb_hi & VPN2_MASK) | (KVM_GUEST_KERNEL_MODE(vcpu) ?kvm_mips_get_kernel_asid(vcpu) :kvm_mips_get_user_asid(vcpu));/* 將TLB Entry信息寫入Host TLB，即物理TLB */ret = kvm_mips_host_tlb_write(vcpu, entryhi, entrylo0, entrylo1,tlb->tlb_mask);preempt_enable();return ret; }

kvm_mips_map_page

建立gfn和pfn的映射關(guān)系，本質(zhì)是通memslot中獲取對應(yīng)關(guān)系，然后設(shè)置guest_pmap線性映射數(shù)組

static int kvm_mips_map_page(struct kvm *kvm, gfn_t gfn) {int srcu_idx, err = 0;kvm_pfn_t pfn;/* 已經(jīng)存在映射 */if (kvm->arch.guest_pmap[gfn] != KVM_INVALID_PAGE)return 0;srcu_idx = srcu_read_lock(&kvm->srcu);/* 將gfn轉(zhuǎn)換為pfn，通過memslot實現(xiàn)，kvm標(biāo)準(zhǔn)接口 */pfn = gfn_to_pfn(kvm, gfn);if (is_error_noslot_pfn(pfn)) {kvm_err("Couldn't get pfn for gfn %#llx!\n", gfn);err = -EFAULT;goto out;}/* 填入映射關(guān)系 */kvm->arch.guest_pmap[gfn] = pfn; out:srcu_read_unlock(&kvm->srcu, srcu_idx);return err; } 原文地址： https://happyseeker.github.io/kernel/2017/01/11/Mips-KVM-Trap&E-implement.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Mips KVM TrapEmulate implemented in Linux的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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