中断虚拟化一

KVM
Virtualization

一个操作系统要跑起来，必须有Time Tick，它就像是身体的脉搏。普通情况下，OS Time Tick由PIT(i8254)或APIC Timer设备提供—PIT定期(1ms in Linux)产生一个timer interrupt，作为global tick, APIC Timer产生一个local tick。在虚拟化情况下，必须为guest OS模拟一个PIT和APIC Timer。
模拟的PIT和APIC Timer不能像真正硬件那样物理计时，所以一般用HOST的某种系统服务或软件计时器来为这个模拟PIT提供模拟”时钟源”。
目前两种方案：1. 用户态模拟方案（QEMU）； 2. 内核态模拟方案（KVM）；

引言

一个操作系统要跑起来，必须有Time Tick，它就像是身体的脉搏。普通情况下，OS Time Tick由PIT(i8254)或APIC Timer设备提供—PIT定期(1ms in Linux)产生一个timer interrupt，作为global tick, APIC Timer产生一个local tick。在虚拟化情况下，必须为guest OS模拟一个PIT和APIC Timer。
模拟的PIT和APIC Timer不能像真正硬件那样物理计时，所以一般用HOST的某种系统服务或软件计时器来为这个模拟PIT提供模拟”时钟源”。
目前两种方案：1. 用户态模拟方案（QEMU）； 2. 内核态模拟方案（KVM）；
在QEMU中，用SIGALARM信号来实现：QEMU利用某种机制，使timer interrupt handler会向QEMU process发送一个SIGALARM信号，处理该信号过程中再模拟PIT中产生一次时钟。QEMU再通过某种机制，将此模拟PIT发出的模拟中断交付给kvm，再由kvm注入到虚拟机中去。
目前的kvm版本支持内核PIT、APIC和内核PIC，因为这两个设备是频繁使用的，在内核模式中模拟比在用户模式模拟性能更高。这里重点是讲内核PIT的模拟实现，弄清楚它是如何为guest OS提供时钟的。

相关代码

主要涉及本主题讨论的代码为：

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linux/arch/x86/kvm/i8254.c
linux/arch/x86/kvm/i8254.h
linux/arch/x86/kvm/i8259.c
linux/arch/x86/kvm/irq.c
linux/arch/x86/kvm/irq.h
linux/virt/kvm/irq_comm.c

物理芯片介绍

  1. PIT 主要为Intel 8254 PIT芯片；
    PIT (Programmable Interval Timer) 可编程间隔定时器
    每个PC机中都有一个PIT，通过IRQ产生周期性的时钟中断信号来充当系统定时器。
    i386中使用的通常是Intel 8254 PIT芯片，它的I/O端口地址范围是40h～43h。
    8254 PIT有3个计时通道，每个通道都有其不同的用途：
    通道0用来负责更新系统时钟。它在每一个时钟滴答会通过IRQ0向系统发出一次时钟中断信号。
    通道1通常用于控制DMAC对RAM的刷新。
    通道2被连接到PC机的扬声器，以产生方波信号。
  2. PIC主要为8259A PIC芯片；
    PIC(Programmable Interrupt Controller) 可编程中断控制器
    它具有IR0~IR7共8个中断管脚连接外部设备。中断管脚具有优先级，其中IR0优先级最高，IR7最低。PIC有三个重要的寄存器：
    （1） IRR Interrupt Request Register, 中断请求寄存器 共8位，对应IR0~IR7这8个中断管脚。某位置1代表收到对应管脚的中断但还未提交给CPU。
    （2） ISR In Service Register 服务中寄存器：共8位，某位置1代表对应管脚的中断已经提交给CPU处理，但CPU还未处理完。
    （3） IMR Interrupt Mask Register 中断屏蔽寄存器：共8位，某位置1对应的中断管脚被屏蔽。

实现

创建流程

QEMU中创建入口：

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kvm_vm_ioctl(s, KVM_CREATE_IRQCHIP)    (kvm-all.c)
kvm_vm_ioctl(kvm_state, KVM_CREATE_PIT)（i8254.c）

虚拟PIC的创建

首先看KVM_CREATE_IRQCHIP：
对应内核代码为：kvm_arch_vm_ioctl（） case KVM_CREATE_IRQCHIP

第一步：

vpic = kvm_create_pic()

  1. s = kzalloc(sizeof(struct kvm_pic), GFP_KERNEL); 创建kvm_pic结构；
  2. s->irq_request = pic_irq_request; 注册pic_irq_request中断请求函数；
  3. kvm_iodevice_init(&s->dev, &picdev_ops); 注册PIC dev的IO端口读写函数；
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    static const struct kvm_io_device_ops picdev_ops = {
    	.read     = picdev_read,
    	.write    = picdev_write,
    };

读写函数的进去第一句话即时判断读写地址是否属于本picdev的；picdev_in_range()

  1. kvm_io_bus_register_dev(kvm, KVM_PIO_BUS, &s->dev); 注册了PIO型的bus访问形式；另一种IO形式为MMIO；
    kvm->arch.vpic = vpic; 返回值vpic赋给了kvm的arch.vpic结构；

第二步：

r = kvm_ioapic_init(kvm); 初始化ioapic
ioapic使用的是kvm_io_bus_register_dev(kvm, KVM_MMIO_BUS, &ioapic->dev);

第三步：

r = kvm_setup_default_irq_routing(kvm); 设置默认的irq路由 （irq_comm.c）
Time Tick占用irq0
安装中断路由函数主要在setup_routing_entry中

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case KVM_IRQCHIP_PIC_MASTER:
			e->set = kvm_set_pic_irq; 相当于中断路由函数
			max_pin = 16;
			break;

虚拟PIC创建流程到此为止；

虚拟PIT的创建

第一步：

struct kvm_pit *pit = kzalloc() 申请kvm_pit结构,代表一个PIT外设；

第二步：

pit->irq_source_id = kvm_request_irq_source_id(kvm); 申请中断资源号
kvm->arch.vpit = pit; 赋予kvm的vpit；
pit->kvm = kvm;

第三步：

hrtimer_init(&pit_state->pit_timer.timer, CLOCK_MONOTONIC, HRTIMER_MODE_ABS); 高精度定时器初始化

第四步：

kvm_register_irq_ack_notifier(kvm, &pit_state->irq_ack_notifier);
注册该pit的irq ack notifier

第五步：

kvm_pit_reset(pit);——- >pit_load_count() ———- > create_pit_timer():
pt->timer.function = kvm_timer_fn;
hrtimer_start(&pt->timer, ktime_add_ns(ktime_get(), interval),
HRTIMER_MODE_ABS);
到这里：内核虚拟PIT实际是利用HOST的hrtimer实际时钟源来提供虚拟时钟的。 Hrtimer为 高精度定时器，管理机制为:传统的低精度的为时间轮方案； 高精度方案为红黑树管理方案；此处注册的时间为1ms一次，并为周期性的；注册的中断处理函数kvm_timer_fn;

第六步：

kvm_io_bus_register_dev(kvm, KVM_PIO_BUS, &pit->dev); 注册PIO型设备；
至此PIT也创建完成；

未完待续……

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