qemu 内存模型(内存仿真概念)

本文介绍了QEMU内存模型的基本概念,包括常规内存、IO映射内存(MMIO)及内存控制器的功能。阐述了MemoryRegion对象如何组织成树形结构,并详细解释了四种类型的Memory Region及其在QEMU内存管理系统中的作用。

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qemu 内存模型(内存仿真概念)

qemu内存API仿真了qemu的内存,IO总线以及对应的控制器,主要包括以下部分的仿真:
    • 常规内存
    • IO映射内存(MMIO)
    • 内存控制器(将物理内存动态的映射到不同的虚拟地址空间)

qemu内存模型主要包括以下功能:
    • 跟踪目标机内存的变化
    • 为kvm建立共享内存(coalesced memory)
    • 为kvm建立ioeventfd regions
    qemu的内存以MemoryRegion对象为单位被组织成无环的树型结构,树的根是从CPU的角度(the system bus)可见的内存(system memory),树中的节点表示其他总线,内存控制器以及被重新映射过的内存区域,叶子节点表示真正的RAM Regions和MMIO Regions。qemu中包含四种类型的Memory Regions,通过c数据结构struct MemoryRegion来表示:
    (1) RAM Region:目标机(GM)可用的主机(HM)上的一段虚拟地址空间
    (2) MMIO Region:注册了read和write回调函数(callbacks functions)的一段目标机(HM)地址空间,对这段空间的读写操作将会调用主机上的回调函数
    (3) Container:多个Memory Regions的集合,每个MR在Container中有不同的offset
    (4) Alias:某个MR的subsection,alias类型的MR可以指向任何其他类型的MR
     Memory Regions的name通过每个MR的构造函数进行赋值,对于大多数的MR来说,其name仅仅用作调试只用,但有时也用来定位在线迁移的内存。每个MR通过构造函数memory_region_init*()来创建,并通过析构函数memory_region_destrory()来销毁,然后,通过memory_region_add_subregion()将其添加到目标系统的地址空间中,并通过memory_region_del_subregion()从地址空间中删除,另外,每个MR的属性在任何地方都
可以被改变。通常来说,不同的MR不会重叠,但是有时候,MR的重叠是很有用的,目标系统可用通过memory_region_add_subregion_overlap()允许同一个container中的两个MR的地址空间重叠,重叠的MR具有优先级的属性(priority),用来标识当前哪个MR是可见的。
    当目标系统访问某个地址空间时,qemu内存管理系统按照如下规则选择一个MR:
    • 从根节点按照降序的优先级进行匹配
    • 如果当前的MR是叶子节点,搜索过程终止
    • 如果当前MR是Container,相同的算法在Container中搜索
    • 如果当前MR是Alias,搜索从Alias指向的MR继续进行

    上图是简单的PC内存映射图,4G的RAM地址空间通过两个Alias MR被映射到目标系统的地址空间中,其中,lomem采用一一映射共映射了4G地址空间的前3.5G,himem映射到剩下的0.5G的地址空间(上图中被称为pci-hole)。内存控制器将640k-768k的RAM地址重新映射到PCI地址空间,命名为vga-window,并且比原来RAM中的这段地址空间有更高的优先级,保证了访问这段地址空间是访问的PCI地址空间中的这段地址空间。
上文中提到,只有system memory管理的地址空间是CPU可见的,pci地址空间并不是system memory的孩子节点,通过创建了vga-window和pci-hole两个PCI地址空间中两个子空间的别名的方式,使得PCI地址空间中的部分Region对CPU是可见的。Memory Region的属性包括:read-only,dirty logging,coalesced mmio,ioeventfd等,MMIO类型的MR提供了read()和write()两个回调函数,另外还附加了一些限制条件用来控制对两个回调函数的调用。
### QEMU 工作原理及其在虚拟化中的技术实现 #### 1. QEMU 的基本概念 QEMU 是一种开源的机器模拟器和虚拟机监视器 (VMM),能够通过软件方式提供硬件仿真功能。它支持多种处理器架构,包括但不限于 x86、ARM 和 PowerPC 等[^2]。 #### 2. QEMU 的核心组件和技术实现 QEMU 主要由以下几个部分组成: - **用户模式下的指令翻译** 在没有硬件辅助的情况下,QEMU 使用动态二进制翻译 (Dynamic Binary Translation, DBT) 来执行客户机的操作系统指令。DBT 将目标体系结构的指令转换为宿主机可识别的指令集,并缓存这些翻译后的代码以便重复利用,从而提高性能[^1]。 - **设备模型** QEMU 提供了一套丰富的虚拟设备模型来模拟各种硬件资源,例如网卡、硬盘控制器以及显卡等。这些设备被抽象成独立模块,在运行时加载到虚拟环境中[^3]。 - **内存管理单元 (MMU)** 对于不支持硬件加速的情况,QEMU 实现了自己的 MMU 模拟机制以处理地址空间映射等问题。当启用 KVM 或其他形式的硬件辅助虚拟化时,则会依赖底层平台提供的能力来进行更高效的内存管理和保护。 #### 3. 结合 KVM 进行硬件加速 虽然单独使用 QEMU 可以完成完全的功能性虚拟化,但由于其本质上属于纯软件解决方案,因此效率较低。为了提升性能表现,通常将 QEMU 配置为与 Linux Kernel 中内置的 KVM 子系统协同工作。在这种配置下: - 客户操作系统可以直接访问物理 CPU 并受益于原生速度; - 同时保留了 QEMU 所具备的强大外设建模优势。 具体而言,创建一个新的 VM 实例涉及调用特定接口函数 `ioctl` 请求分配相应的文件句柄 (`vmfd`) ,此对象允许后续操作如定义 VCPU 数量及大小设定等工作得以顺利开展。 ```c int vm_fd = ioctl(kvm_fd, KVM_CREATE_VM, 0); if(vm_fd < 0){ perror("Failed to create virtual machine"); } ``` 上述代码片段展示了如何借助 KVM API 构造基础框架的一部分过程。 #### 4. 总结 综上所述,QEMU 不仅可以作为独立工具用于跨平台应用程序测试等领域,而且还能与其他高级特性相结合形成更加完善的云计算基础设施组成部分之一。它的灵活性加上强大的插件生态系统使得开发者可以根据实际需求定制专属方案。 ---
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