如何利用虛擬化技術(shù)解決物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)難題？從了解ACRN開始

物聯(lián)網(wǎng)市場的應(yīng)用場景日益復(fù)雜，越來越多的上網(wǎng)設(shè)備需要支持更多的硬件資源、操作系統(tǒng)、軟件工具及應(yīng)用程序，現(xiàn)有的解決方案顯然無法為數(shù)量龐大的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供相應(yīng)的靈活性，這使開發(fā)者們面臨巨大的設(shè)計壓力。虛擬化技術(shù)是解決這些問題的關(guān)鍵。不過，現(xiàn)有的虛擬化解決方案并不能滿足物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的輕量級和靈活性的特殊要求。為了滿足當前物聯(lián)網(wǎng)市場的發(fā)展趨勢，Linux基金會推出了開源項目---ACRN，

ACRN到底具有哪些強大的功能,它又是怎么實現(xiàn)的?今天我們就從架構(gòu)到應(yīng)用對ACRN進行詳細分析，讓開發(fā)者們快速上手使用ACRN進行產(chǎn)品設(shè)計。

ACRN是一個專為嵌入式設(shè)備設(shè)計的hypervisor，包括如下兩部分：一套hypervisor的參考軟件和架構(gòu)，通過虛擬機監(jiān)視器(Virtual Machine Manager)可以在同一個物理硬件上安全地同時運行多個操作系統(tǒng)。另外，它還為設(shè)備虛擬化模擬定義了一套參考設(shè)計框架，稱為“ACRN設(shè)備模型”。

ACRN hypervisor是一個Type-I的hypervisor，可以直接運行在物理硬件上，適用于各種物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式設(shè)備解決方案。ACRN hypervisor解決了當前數(shù)據(jù)中心hypervisor和partitioning hypervisor之間存在的差距。ACRN hypervisor設(shè)計時把系統(tǒng)分為不同的功能域，并為物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式設(shè)備精心挑選的用戶操作系統(tǒng)進行共享優(yōu)化。

汽車應(yīng)用案例

ACRN hypervisor的一個有趣的案例是用于汽車場景。ACRN hypervisor可以用于構(gòu)建軟件定義駕駛艙(SDC)或者車載娛樂系統(tǒng)(IVE)。作為參考實現(xiàn)，ACRN可以為嵌入式hypervisor廠商的解決方案提供一個很好的基礎(chǔ)，以及一套I/O設(shè)備虛擬化的參考設(shè)計。

在這種場景下，汽車SDC系統(tǒng)由儀表盤(IC)系統(tǒng)、車載信息娛樂系統(tǒng)(IVI)和一個或多個后座娛樂系統(tǒng)(RSE)組成。為了整體系統(tǒng)安全性考慮，每個系統(tǒng)都作為獨立的虛擬機運行。

儀表盤系統(tǒng)(IC)用于顯示和駕駛員相關(guān)的車輛的駕駛操作信息，如：

汽車的速度、燃油、行駛里程和其它駕駛信息;

投影在擋風玻璃上的抬頭顯示，用以警告缺油或胎壓報警;

顯示后視攝像頭影像和車身的周邊攝像頭信息，用于輔助停車;

車載娛樂系統(tǒng)(IVI)的功能包括：

導航系統(tǒng)、收音機和其它娛樂系統(tǒng);

連接到移動設(shè)備，可以打電話，播放音樂或者通過語音識別來控制應(yīng)用程序;

通過手勢識別或觸控進行交互;

后座娛樂系統(tǒng)(RSE)可以運行：

娛樂系統(tǒng);

虛擬辦公;

連接到前排座椅的IVI系統(tǒng)和移動設(shè)備(云連接);

連接到移動設(shè)備，可以打電話，播放音樂或者通過語音識別來控制應(yīng)用程序;

通過手勢識別或觸控進行交互;

ACRN hypervisor可以支持Linux*和Android*虛擬機作為用戶操作系統(tǒng)(UOS)，UOS由ACRN hypervisor進行管理。開發(fā)者和OEM廠商可以在ACRN hypervisor之上運行自己的虛擬機，以及IC、IVI和RSE VM。Service OS是作為VM0運行(在Xen* hypervisor中被稱為Dom0，在KVM* hypervisor中被稱為Host OS)，User OS用戶操作系統(tǒng)作為VM1運行(也被稱為DomU)。

注：Android*虛擬機的支持將在未來版本發(fā)布。

圖1顯示了一個使用ACRN hypervisor的實例框圖。

　　圖1：SOS和UOS運行在ACRN hypervisor之上

從ACRN hypervisor的架構(gòu)圖中可以看到：

ACRN hypervisor直接位于bootloader之上，因而具備快速啟動的能力;

部分資源進行partitioning，以確保安全關(guān)鍵性應(yīng)用和非安全關(guān)鍵業(yè)務(wù)可以共存在同一平臺上;

豐富的I/O設(shè)備虛擬化提供在多個VM之間的I/O設(shè)備共享，從而提供全面的用戶體驗;

通過高效的虛擬化，一個SoC可以支持多個操作系統(tǒng)同時運行;

圖1中的黃色部分是ACRN項目的軟件棧。該架構(gòu)框圖中列出的某些功能還沒有完全實現(xiàn)，歡迎社區(qū)共同參與開發(fā)實現(xiàn)。另外，圖中的其他模塊來自于別的開源項目，這里僅供參考。

例如，Service OS和Guest Linux來源于https://clearlinux.org上的Clear Linux項目，而未來Guest Android的支持將會來自https://01.org/android-ia項目。

當前ACRN所支持的功能列表，請參照發(fā)布說明。

許可證

ACRN hypervisor和ACRN Device Model軟件采用的都是自由許可證的BSD-3-Clause，它允許以“源代碼和二進制再次發(fā)布和使用，無論是否進行了修改”， 許可證中也注明了完整版權(quán)聲明和免責聲明。

ACRN Device Model, Service OS, and User OS

為了使ACRN hypervisor代碼盡可能精悍且高效，用于實現(xiàn)I/O設(shè)備共享的device model代碼運行在Service OS中而非ACRN Hypervisor。哪些I/O設(shè)備被共享以及其實現(xiàn)細節(jié)將在下面的pass-through章節(jié)具體介紹。

Service OS在所有虛擬機里，以最高優(yōu)先權(quán)運行，以滿足那些對時間響應(yīng)要求很高的需求和系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的需求(QoS)。具體到Service OS中的任務(wù)(task)，他們的優(yōu)先級則有高有低。例如響應(yīng)User OS請求的回調(diào)函數(shù)，其運行在Service OS的軟件(或者mediator)就會繼承User OS的優(yōu)先級。另外，在Service OS中還有一些在后臺運行的任務(wù)也是低優(yōu)先級。

在上述的車載系統(tǒng)示例中，User OS是駕駛控制和車內(nèi)娛樂的中心樞紐。它能提供收音機和各種娛樂選項、車內(nèi)空調(diào)和通風控制、車輛導航顯示等支持。它可以讓第三方設(shè)備使用USB、藍牙或者WiFi等連接技術(shù)與車載系統(tǒng)進行交互，例如：Android Auto* 或者 Apple CarPlay*, 還能提供許多其它功能。

啟動步驟

在圖2中，我們展示了在一個采用英特爾架構(gòu)平臺的NUC上使用UEFI驗證啟動的步驟。

Figure 2 ACRN Hypervisor Boot Flow

啟動引導順序執(zhí)行如下：

1 UEFI驗證和啟動ACRN hypervisor和Service OS的引導加載程序;

2 UFEI(或Service OS的引導加載程序)驗證并啟動Service OS內(nèi)核;

3 Service OS的內(nèi)核通過dm-verity驗證并且加載ACRN Device Model和虛擬引導加載程序;

4 虛擬引導加載程序啟動用戶端的驗證啟動進程;

ACRN Hypervisor架構(gòu)

ACRN hypervisor是Type 1的虛擬機管理程序，能夠直接運行在硬件系統(tǒng)上。它是一個混合的VMM架構(gòu)，采用一個運行在特權(quán)級的Service OS來管理和協(xié)調(diào)I/O設(shè)備的使用。它能支持多個用戶虛擬機，其中每個虛擬機都可以運行Linux或者安卓操作系統(tǒng)作為用戶操作系統(tǒng)。

在虛擬機內(nèi)運行的操作系統(tǒng)是與其它虛擬機內(nèi)的系統(tǒng)或應(yīng)用程序相互隔離的，從而縮小了潛在的被攻擊可能性，最大限度地減小安全隱患。當然由于系統(tǒng)運行在虛擬機內(nèi)也可能會給其應(yīng)用程序的運行帶來額外的延遲。

圖3顯示了ACRN hypervisor、車載系統(tǒng)中的Instrumental Cluster (IC) VM和Service VM一起協(xié)同工作的架構(gòu)圖。Service OS(SOS)負責包括平臺設(shè)備在內(nèi)的大部分設(shè)備的管理，并提供I/O的協(xié)調(diào)功能。某些PCIe設(shè)備可以通過VM配置直通給User OS使用。IC應(yīng)用程序和虛擬機特定的應(yīng)用程序都運行在SOS中，例如：ACRN device model和ACRN VM管理器。

ACRN hypervisor內(nèi)還有ACRN虛機管理器，用來收集User OS的運行信息，并控制用戶虛擬機的開始、停止和暫停，還能暫?；蛘呋謴?fù)執(zhí)行單個虛擬CPU。

　　圖3 ACRN Hypervisor 架構(gòu)圖

ACRN hypervisor采用了英特爾虛擬化技術(shù)(Intel VT)，其運行在虛擬機擴展模式(VMX)的root模式下，也稱為主機模式或VMM模式。其他所有的用戶虛擬機包括UOS和SOS都運行在VMX non-root模式或guest模式下。(以下為了簡略，我們將繼續(xù)使用術(shù)語VMM模式和guest模式)。

VMM模式下有4種權(quán)限的ring模式，但ACRN hypervisor僅在ring 0的特權(quán)模式下運行，其余ring 1-3并未使用。運行在guest模式下的用戶系統(tǒng)(包括SOS和UOS)也有自己的4個ring模式(ring 0-3)。用戶系統(tǒng)的內(nèi)核運行在guest模式下的ring 0，而用戶系統(tǒng)的應(yīng)用程序則在guest模式下運行于ring 3(ring 1和ring 2一般不被商業(yè)操作系統(tǒng)所使用)。

　　圖4 VMX 簡介

如圖4所示，VMM模式和guest模式通過VM Exit和VM Entry進行切換。當引導加載程序?qū)⒖刂茩?quán)交給ACRN hypervisor時，處理器還未啟動VMX模式。ACRN hypervisor首先需要通過VMXON指令啟用VMX模式。啟用VMX后，處理器處于VMM模式，它可以通過VM resume指令進入guest模式(或者通過第一次VM launch指令)，然后可以通過處理器的VM exit事件回到VMM模式。一般處理器會在響應(yīng)某些指令和事件時發(fā)生VM exit。

在guest模式下，處理器的執(zhí)行是由一個虛擬機控制結(jié)構(gòu)(VMCS)所控制的。VMCS包含了虛機狀態(tài)(在VM Entry時加載并在VM Exit時保存)，主機狀態(tài)(在VM exit時加載)，以及虛機的控制執(zhí)行。ACRN hypervisor為每個虛擬CPU創(chuàng)建了一個VMCS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并使用該VMCS來控制運行在guest模式下處理器的行為。

當虛機執(zhí)行到一個敏感指令時，就會觸發(fā)一次定義在VMCS配置中的VM exit事件。當VM exit發(fā)生后，系統(tǒng)的控制權(quán)就交給了ACRN hypervisor。ACRN hypervisor會模擬虛機的指令(如果VM exit的原因是由于指令權(quán)限問題)，然后恢復(fù)虛機繼續(xù)執(zhí)行它的下一條指令，或者根據(jù)VM exit的原因進行相關(guān)處理(例如，一個虛機的存儲頁面需要建立映射關(guān)系)，然后恢復(fù)虛機重新執(zhí)行該條指令。

需要注意的是用于VMM模式的地址空間和用于guest模式的地址空間是不同的。guest模式和VMM模式下使用不同的內(nèi)存映射表，因此虛機是無法訪問ACRN hypervisor的。ACRN hypervisor使用EPT來映射虛機地址，虛機頁表會將虛機的線性地址映射到虛機的物理地址， EPT表則將虛機的物理地址映射到機器物理地址或主機物理地址(HPA)。

ACRN Device Model Architecture

因為系統(tǒng)設(shè)備可能需要在不同的虛機之間被共享，虛機內(nèi)應(yīng)用程序(和操作系統(tǒng))要對這些共享設(shè)備進行訪問就需要借助設(shè)備模擬。一般來說，設(shè)備模擬有三種架構(gòu)：

第一種架構(gòu)被稱為hypervisor中的設(shè)備模擬，這是在VMware*工作站產(chǎn)品(一個基于操作系統(tǒng)的hypervisor)中實現(xiàn)的設(shè)備模擬方式。在這種方式中，hypervisor負責模擬需要在各個虛機操作系統(tǒng)之間共享的常見設(shè)備，其中包括：虛擬磁盤、虛擬網(wǎng)絡(luò)適配器和其它必要的平臺資源。

第二種架構(gòu)稱為用戶空間的設(shè)備模擬。顧名思義，不是將設(shè)備模擬的實現(xiàn)嵌入到hypervisor中，而是將其放在一個用戶空間的應(yīng)用程序中實現(xiàn)。比如被各種獨立的hypervisor所使用的QEMU就提供了此類的設(shè)備模擬方式。這種架構(gòu)的優(yōu)勢在于設(shè)備模擬的實現(xiàn)不依賴于hypervisor，所以其它hypervisor可以重用改實現(xiàn)。甚至它還可以做任意設(shè)備的模擬，而不必擔心其功能的實現(xiàn)會影響hypervisor(其在特權(quán)模式下運行)。

第三種架構(gòu)則是從基于hypervisor的設(shè)備模擬改變而來的半虛擬化驅(qū)動程序。該架構(gòu)一開始是在XEN項目中引入的，其中hypervisor提供物理設(shè)備驅(qū)動，每個虛機操作系統(tǒng)則需要安裝一個與能與物理驅(qū)動配合使用的hypervisor感知的驅(qū)動程序。

在以上討論的設(shè)備模擬架構(gòu)中，共享設(shè)備都需要付出代價。因為不管設(shè)備模擬是在hypervisor中，還是在每個虛機內(nèi)的用戶空間中，都存在相應(yīng)的系統(tǒng)開銷。不過只要系統(tǒng)設(shè)備需要被多個虛機操作系統(tǒng)共享，這種開銷就是值得的。反之如果設(shè)備不需要被共享，那么就可以使用更有效的方法來訪問設(shè)備，例如使用“直通”。

看完以上的分析，你是否對ACRN有了更深入的了解?也是否有更多問題急需解答? 不用著急，我們將在下期中繼續(xù)講解各種技術(shù)細節(jié)，例如ACRN設(shè)備模塊架構(gòu)、設(shè)備pass through， ACRN I/O mediator, Virtio框架結(jié)構(gòu)等一一為你展示。

ACRN的設(shè)備模塊

在ACRN中，每個User OS(簡稱UOS)都需要有一個ACRN設(shè)備模型與之對應(yīng)。ACRN設(shè)備模型首先為UOS初始化虛擬硬件平臺(包括初始化VCPU狀態(tài)、分配并初始化內(nèi)存、初始化UOS啟動腳本中所指定的虛擬設(shè)備)、加載guest平臺固件文件或guest操作系統(tǒng)內(nèi)核文件等，并最終通過調(diào)用ACRN hypervisor提供的服務(wù)去執(zhí)行g(shù)uest指令。

ACRN設(shè)備模型是運行在Service OS(簡稱SOS)上的應(yīng)用程序，其架構(gòu)如圖5所示。

　　圖5 ACRN 設(shè)備模塊

在ACRN中， I/O虛擬化主要依賴于以下三部分的協(xié)同工作：

1)設(shè)備仿真

2)I/O請求處理

3)VHM(Virtio and Hypervisor service Module)。

設(shè)備仿真：

設(shè)備仿真指的是一系列I/O設(shè)備仿真例程，用來模擬不同種類的設(shè)備，比如PCI總線設(shè)備、ACPI設(shè)備等。這些設(shè)備仿真例程均會被注冊到ACRN設(shè)備模型中，由ACRN設(shè)備模型中的I/O調(diào)度器進行調(diào)度和分發(fā)。當UOS產(chǎn)生I/O設(shè)備訪問請求時，I/O調(diào)度器會根據(jù)請求的I/O地址，PIO或者MMIO，進一步調(diào)用具體設(shè)備的仿真例程。

I/O請求(簡稱IOREQ)處理：

參照以下ACRN-I/O-mediator

VHM：

VHM(Virtio and Hypervisor service Module)模塊作為ACRN hypervisor和設(shè)備模型之間的橋梁，為設(shè)備模型提供必要的服務(wù)。VHM運行在Service OS中，以內(nèi)核模塊的形式存在，其具體的服務(wù)流程，如下所述：

1 ACRN hypervisor通過中斷的方式通知VHM新的IOREQ到來;

2 VHM首先將IOREQ標記為“正在處理”，同時將其發(fā)送給VHM的用戶(如設(shè)備模型、gvt-g、VBS-K等)做進一步處理。之后，VHM可以處理新的IOREQ;

3 實際對IOREQ進行處理的可以是運行在SOS用戶態(tài)的ACRN設(shè)備模型，也可以是運行在SOS內(nèi)核態(tài)中的其他設(shè)備模型，如gvt-g和VBS-K。一旦IOREQ被處理完成，VHM將被通知(內(nèi)核態(tài)直接通過函數(shù)調(diào)用方式通知，而用戶態(tài)則通過IOCTL的方式通知)，之后VHM通過hypercall的方式，進一步通知ACRN hypervisor該IOREQ已經(jīng)處理完成。

用戶態(tài)程序：ACRN設(shè)備模型;

內(nèi)核態(tài)模塊：VHM、VBS-K、gvt-g等;

設(shè)備直通

總體上講，設(shè)備直通是為了將指定設(shè)備排他性提供給某個客戶操作系統(tǒng)獨立使用。

　　圖6 設(shè)備直通

通過設(shè)備直通可以實現(xiàn)幾乎原生的性能。在不需要在多個虛擬機中共享同一個設(shè)備的情況下，如系統(tǒng)中有多塊物理設(shè)備，設(shè)備直通對于某些高I/O需求的設(shè)備來說是最佳選擇，因為通過hypervisor(無論是在hypervisor中還是在用戶空間中)虛擬設(shè)備會產(chǎn)生額外的性能下降。

除了性能角度考量外，有些設(shè)備先天不能被用在多個虛擬共享環(huán)境中，如USB device模式的xDCI端口。對于這類設(shè)備，ACRN中則直接采用設(shè)備直通的方式供客戶操作系統(tǒng)使用。

設(shè)備直通的硬件支持

英特爾目前的處理器架構(gòu)使用VT-d為設(shè)備直通提供支持。VT-d將客戶平臺物理地址映射到本地平臺機器物理地址，從而客戶操作系統(tǒng)能夠通過訪問客戶平臺物理地址進而訪問到本地平臺的物理硬件。在這個過程中，VT-d負責設(shè)備的發(fā)訪問和保護，而客戶平臺操作系統(tǒng)只需像非虛擬化環(huán)境中一樣，直接訪問設(shè)備。除此之外，VT-d還能防止物理設(shè)備惡意訪問屬于其他VM或者hypervisor的內(nèi)存，從而能夠提高安全性。

此外，在ACRN項目中，設(shè)備主要使用MSIx/MSI中斷，而不是傳統(tǒng)的基于中斷pin的方式通知guest。從而帶來的好處在于不僅能夠很好地處理來自于多個VM多個中斷的情況，而且能夠保證中斷源的隔離。

設(shè)備直通的hypervisor支持

較新的英特爾處理器架構(gòu)均支持VT-d，因此各主流hypervisor(Xen和KVM)均可以基于VT-d實現(xiàn)設(shè)備直通的功能。ACRN同樣基于VT-d實現(xiàn)設(shè)備直通的功能。

ACRN虛擬I/O設(shè)備

圖7 展示了ACRN中訪問一個虛擬I/O所經(jīng)歷的流程。

　　圖7 I/O虛擬流程(Port IO)

以下是圖7中的編號項目：

1、當guest操作系統(tǒng)執(zhí)行I/O指令(PIO 或 MMIO)時，VM-Exit發(fā)生，ACRN hypervisor獲得處理器控制權(quán)，首先會判斷虛擬機執(zhí)行退出的原因。在我們的例子中，VM-Exit是因為guest中發(fā)生了PIO訪問，退出原因的號碼為VMX_EXIT_REASON_IO_INSTRUCTION。

2、除了根據(jù)VM-Exit的原因號碼，ACRN hypervisor還會對產(chǎn)生VM-Exit的指令進行譯碼。在我們的例子中，hypervisor會注意到是PIO指令(例如：in AL, 20h)。接下來，hypervisor將譯碼得到的相關(guān)信息(包括PIO訪問、訪問字節(jié)數(shù)、讀/寫方式、目標寄存器等)放到與ACRN VHM、ACRN設(shè)備模型共享的物理頁面之中，然后以中斷的方式通知SOS/VHM去做進一步處理。

3、SOS中的VHM接收到中斷后，查詢該IOREQ有關(guān)的所有信息。

4、VHM首先會檢查是否應(yīng)該由內(nèi)核態(tài)的設(shè)備模型來處理該IOREQ，如果是，那么相應(yīng)的內(nèi)核模塊之前注冊的callback函數(shù)會被VHM調(diào)用。否則，如果沒有內(nèi)核態(tài)設(shè)備模型來處理IOREQ，那么VHM則會將該IOREQ保留在共享頁面中，并喚醒ACRN設(shè)備模型對該IOREQ進行處理。

5、ACRN設(shè)備模型采用與VHM相同的機制對IOREQ進行處理。設(shè)備模型的I/O執(zhí)行線程會首先查詢IOREQ具體的信息，同時檢查是否有設(shè)備仿真模塊實現(xiàn)了該IOREQ對應(yīng)的邏輯。如果有相應(yīng)的模塊，那么該模塊對應(yīng)的callback函數(shù)將會被調(diào)用。

6、ACRN設(shè)備模型完成設(shè)備模擬仿真后(本示例中是對端口IO 20h的訪問，uDev1將結(jié)果保存到共享頁面(示例中保存在AL寄存器)。

7、完成相應(yīng)IOREQ的模擬和仿真后，ACRN設(shè)備模型通過VHM的API將控制權(quán)返回給ACRN hypervisor。

8、ACRN hypervisor得知IOREQ已經(jīng)處理完成，則會結(jié)果保存到VCPU的相應(yīng)寄存器中。

9、ACRN hypervisor更新完VCPU寄存器后，進一步更新IP地址寄存器指向下一條guest指令，同時重啟guest的執(zhí)行。

針對guest中MMIO訪問的處理，與上面例子中的PIO訪問處理類似，除了VM-Exit的原因不同：MMIO對應(yīng)的VM-Exit原因代碼是VMX_EXIT_REASON_EPT_VIOLATION。

Virtio框架架構(gòu)

Virtio是一種通用的面向虛擬設(shè)備的抽象，可以應(yīng)用在任何hypervisor中。在ACRN參考設(shè)計中，我們的Virtio實現(xiàn)兼容Virtio標準規(guī)范0.9和1.0。帶來的好處是，對于虛擬設(shè)備的實現(xiàn)，虛擬環(huán)境和客戶平臺可以復(fù)用一套直觀、高效、標準和可擴展的機制，而無需根據(jù)每個環(huán)境或者操作系統(tǒng)進行定制。

Virtio提供一個通用的前端/后端驅(qū)動程序框架，它不僅標準化virtio設(shè)備的訪問接口，而且還增加了不同的虛擬化平臺上的代碼重用。

　　圖8 Virtio 架構(gòu)

為了更好地理解Virtio，尤其是它在ACRN項目中的使用，下面列舉幾個Virtio的關(guān)鍵概念：

Virtio前端驅(qū)動程序

Virtio采用了前端-后端架構(gòu)，分別為前端和后端Virtio驅(qū)動程序提供一個簡單又靈活的框架。Virtio前端驅(qū)動框架提供了前端Virtio API來配置硬件、傳遞消息、提交請求、通知后端Virtio驅(qū)動程序等。因此，Virtio前端驅(qū)動程序很容易實現(xiàn)，并且性能與設(shè)備模擬仿真相比有較大提升。

后端Virtio驅(qū)動程序

與Virtio前端驅(qū)動程序類似，Virtio后端驅(qū)動程序運行在宿主平臺(內(nèi)核態(tài)或者用戶態(tài))。Virtio后端驅(qū)動程序處理來自于前端驅(qū)動程序的請求，并按需將請求進一步發(fā)送到本地設(shè)備驅(qū)動程序。一旦請求被Virtio后端驅(qū)動程序處理完成，后端驅(qū)動程序就會通知前端驅(qū)動程序“請求已完成”。

直觀：Virtio設(shè)備復(fù)用已有設(shè)備總線

Virtio復(fù)用已有設(shè)備總線，而不是創(chuàng)建全新類型的設(shè)備總線，帶來的好處是Virtio前端和后端驅(qū)動可以直接利用已有的代碼進行交互。例如，Virtio前端驅(qū)動程序可以直接讀/寫虛擬設(shè)備(由Virtio后端驅(qū)動程序虛擬)的寄存器，同時虛擬設(shè)備(由Virtio后端驅(qū)動程序虛擬)可以直接以中斷的方式通知前端驅(qū)動程序事件的發(fā)生。目前，Virtio標準規(guī)范定義了幾種總線結(jié)果，如PCI/PCIe總線、MMIO總線、CCW總線等。目前ACRN項目只支持PCI/PCIe總線。

高效：鼓勵批處理操作

批處理操作和延遲通知對于實現(xiàn)高性能I/O非常重要，因為Virtio前端和后端驅(qū)動程序之間的通知會導致代價高昂的VM-Exit等。因此應(yīng)當盡可能批量處理數(shù)據(jù)，同時減少事件的通知。

標準：virtqueue

所有Virtio設(shè)備使用同一套稱為virtqueue的機制，其內(nèi)部實現(xiàn)是兩個標準環(huán)形緩沖區(qū)和一個描述符列表，如圖6所示。Virtqueue是一個分散-聚集緩沖區(qū)隊列，主要有以下三種操作方式：

add_buf 在virtqueue中添加請求/響應(yīng);

get_buf 在virtqueue中獲得響應(yīng)/請求;

kick 通知對方virtqueue已經(jīng)被更新;

virtqueue由Virtio前端驅(qū)動程序在guest物理內(nèi)存中創(chuàng)建。Virtio后端驅(qū)動程序只需要調(diào)用Virtio API解析virtqueue的結(jié)構(gòu)即可獲得請求或響應(yīng)。如何構(gòu)建virtqueue則取決于guest操作系統(tǒng)。在Linux中實現(xiàn)Virtio時，virtqueue被實現(xiàn)為一個稱為vring的環(huán)形緩沖結(jié)構(gòu)。

在ACRN的Virtio前端驅(qū)動程序開發(fā)過程中，virtqueue API可被直接利用，從而用戶無需關(guān)心virtqueue的具體內(nèi)部細節(jié)。關(guān)于virtqueue實現(xiàn)的更多細節(jié)，請參考您所使用的guest操作系統(tǒng)。

可擴展：特征bit

每個Virtio設(shè)備和其Virtio前端驅(qū)動程序之間都存在一個簡單可擴展的特征協(xié)商(feature negotiation)機制。每個Virtio設(shè)備都可以聲明其設(shè)備特定的功能，而相應(yīng)地Virtio前端驅(qū)動程序可以表示自己能夠理解哪些硬件特征。這種特征協(xié)商的機制能夠保證驅(qū)動程序向前和向后兼容。

在ACRN參考實現(xiàn)中，Virtio前端驅(qū)動程序存在于guest操作系統(tǒng)的內(nèi)核態(tài)空間，而Virtio后端驅(qū)動程序則存在兩種可能：用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)。圖9顯示了ACRN中用戶態(tài)的Virtio后端驅(qū)動程序架構(gòu)。

Figure 9 Virtio框架 – 用戶態(tài)程序

在ACRN virtio后端驅(qū)動框架中，該實現(xiàn)兼容virtio標準規(guī)范0.9和1.0版本。VBS-U與設(shè)備模型靜態(tài)鏈接，并通過PCIe/PCI虛擬設(shè)備接口(PIO/MMIO或MSI/MSIx)與設(shè)備模型通信。VBS-U通過用戶態(tài)virtqueue API來訪問Virtio前端驅(qū)動程序在共享內(nèi)存中放置的數(shù)據(jù)。SOS訪問UOS物理內(nèi)存則是基于ACRN hypervisor的幫助。

Figure 10 Virtio框架- 內(nèi)核態(tài)程序

從性能角度出發(fā)，為了支持一些性能要求較高的設(shè)備，數(shù)據(jù)平面(data plane)的處理可以從用戶態(tài)挪到內(nèi)核態(tài)，從而避免Virtio后端驅(qū)動在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)切換時產(chǎn)生額外的數(shù)據(jù)搬運;而控制平面(control plane)的處理，仍然保留在用戶空間，即VBS-U中。VBS-U需要選擇在正確的時間初始化VBS-K，例如，Virtio前端驅(qū)動設(shè)置VIRTIO_CONFIG_S_DRIVER_OK時就是一個不錯的時機。運行在內(nèi)核態(tài)的Virtio后端驅(qū)動可以使用VBS-K virtqueue API前端驅(qū)動共享的數(shù)據(jù)?？紤]到易用性，VBS-K virtqueue API與VBS-U virqueue API設(shè)計得極為相似。此外，VBS-K依賴于VHM，即VHM負責分發(fā)IOREQ給VBS-K模塊。每個VBS-K需要處理一類或者多類IOREQ請求，具體多少取決于特定的VBS-K需要監(jiān)聽多少段連續(xù)的寄存器空間。最后，VBS-K借助于VHM的API來通過中斷的方式通知Virtio前端驅(qū)動程序。

看到這里，開發(fā)者們是不是有興趣親自動手實踐了，如果您在項目設(shè)計中遇到關(guān)于ACRN的技術(shù)問題，歡迎訪問ACRN社區(qū)進行討論，社區(qū)地址

生成海報

免責聲明：本網(wǎng)站內(nèi)容主要來自原創(chuàng)、合作伙伴供稿和第三方自媒體作者投稿，凡在本網(wǎng)站出現(xiàn)的信息，均僅供參考。本網(wǎng)站將盡力確保所提供信息的準確性及可靠性，但不保證有關(guān)資料的準確性及可靠性，讀者在使用前請進一步核實，并對任何自主決定的行為負責。本網(wǎng)站對有關(guān)資料所引致的錯誤、不確或遺漏，概不負任何法律責任。任何單位或個人認為本網(wǎng)站中的網(wǎng)頁或鏈接內(nèi)容可能涉嫌侵犯其知識產(chǎn)權(quán)或存在不實內(nèi)容時，應(yīng)及時向本網(wǎng)站提出書面權(quán)利通知或不實情況說明，并提供身份證明、權(quán)屬證明及詳細侵權(quán)或不實情況證明。本網(wǎng)站在收到上述法律文件后，將會依法盡快聯(lián)系相關(guān)文章源頭核實，溝通刪除相關(guān)內(nèi)容或斷開相關(guān)鏈接。