本篇將繼續帶大家了解Arm虛擬化的相關內容。

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，首先是定義了四個異常等級（Exception Level，簡稱EL）。前面介紹異常和特權的文章中有介紹，此處再啰嗦幾句。每個異常級別都有編號，分別是EL0-3，權限級別越高，對應的編號越高。用戶程序運行在EL0，操作系統運行在EL1，虛擬機監控程序（hypervisor）運行在EL2，固件程序（firmware）運行在EL3。這里插一句，在intel的體系中，類似的概念是ring0-3。

圖1

在Arm的架構下，系統寄存器在不同的異常等級下是獨立的寄存器，在指令集中有自己的編碼，并在硬件中單獨實現。這些系統寄存器可以根據后綴區分出可以訪問的等級。例如，TTBR0_EL1是保存轉換表基址的寄存器。如果EL0訪問此寄存器，將會觸發一個異常。

在高異常等級下可以訪問低異常等級的寄存器，雖然大多數情況下不會這么做。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，更多特權級別有時會訪問與較低異常級別關聯的寄存器，以實現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，還有兩個概念：執行狀態（execution state）和安全狀態（security state）。

Armv8-A有兩種可用的執行狀態：

AArch32：32位執行狀態。此狀態下的操作與Armv7-A兼容。有兩個可用的指令集：T32和A32。標準寄存器寬度為32位。

AArch64：64位執行狀態。有一個可用的指令集：A64。標準寄存器寬度為64位。

Armv8-A架構實現兩種安全狀態，允許對軟件進行進一步的分區，以隔離和劃分受信任的軟件：

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

非安全狀態：在此狀態下，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寄存器。在此狀態下運行的軟件只能響應非安全中斷。

有了以上的概念，我們來看一下AArch64的虛擬化，如下圖。圖中安全狀態的EL2用灰色顯示，是因為安全狀態的EL2并不總是可用。

圖2

說起虛擬化，其實可以分為幾大塊：CPU虛擬化，內存虛擬化，IO虛擬化，中斷虛擬化。CPU虛擬化這里沒太多好講的，區分虛擬機（VM）和虛擬CPU(vCPU)就好，方便閱讀文檔。一個虛擬機里面可能包含一個或多個虛擬CPU。VM不等同于vCPU，比如，一個內存頁面可以被分配一個VM，因此所有屬于該VM的所有vCPU都可以訪問它。而一個虛擬中斷只是針對某個vCPU，因此只有該vCPU可以收到。在Arm的文檔里，關于處理器更為嚴謹的定義是處理單元（Processing Element，PE），因為CPU可能包含多個內核或線程，而PE用來指代單一的執行單元。

圖3

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

為了支持虛擬化，Armv8-A支持兩步地址轉換，也就是文檔常提到的Stage2translation。Stage2轉換允許hypervisor控制虛擬機（VM）的內存視圖。具體來說，它允許hypervisor控制虛擬機可以訪問哪些系統資源，以及這些資源在虛擬機地址空間中的位置。Stage2轉換使得虛擬機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或hypervisor的資源。

圖4

操作系統（OS）控制一組地址轉換表，負責從虛擬地址空間映射到它認為是物理地址空間的。由hypervisor負責控制第二步地址轉換，得到真實的物理地址。

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

每個VM會被分配一個虛擬機標識符（virtual machine identifier，VMID）。VMID用于標記TLB條目，以標識每個條目所屬的哪個VM。此標記允許TLB中同時存在多個不同VM的翻譯。TLB條目也可以用地址空間標識符（address space identifier，ASID）進行標記。操作系統為應用程序分配一個ASID，該應用程序中的所有TLB條目都標記有該ASID。這意味著不同應用程序的TLB條目能夠在TLB中共存，而不存在一個應用程序使用屬于不同應用程序的TLB條目的可能性。每個VM都有自己的ASID命名空間。例如，兩個虛擬機可能都使用ASID 5，但它們用于不同的用途。

Stage1和Stage2映射都包含屬性，如類型和訪問權限。內存管理單元（MMU）將兩個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的階段來實現這一點。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，最后的結果是一樣。

圖5

這種組合屬性的方法適用于大多數用例，但有時hypervisor可能希望覆蓋這種行為。例如，在VM的早期啟動期間。

VM的IPA地址空間同樣被劃分成內存與外圍設備的區域。VM可以訪問實際物理外圍設備（通常稱為直接分配的外設）和虛擬外設。Hypervisor在軟件中完全模擬虛擬外設。

編輯：黃飛

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