KVM虚拟机IO处理过程(一) ----Guest VM I/O 处理过程

本文探讨了虚拟化技术中的磁盘设备虚拟化,重点关注在Linux内核3.7.10和KVM/qemu 1.6.1环境下,Guest VM的读操作如何通过虚拟文件系统、文件系统层、Page cache、通用块层、I/O调度层和块设备驱动层,最终到达物理设备的详细过程。介绍了每个层次的功能,如Page cache缓存数据以减少块设备访问,I/O调度层合并请求以优化性能。

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    虚拟化技术主要包含三部分内容:CPU虚拟化,内存虚拟化,设备虚拟化.本系列文章主要描述磁盘设备的虚拟化过程,包含了一个读操作的I/O请求如何从Guest Vm到其最终被处理的整个过程.本系列文章中引用到的linux内核代码版本为3.7.10,使用的虚拟化平台是KVM,qemu的版本是1.6.1.

    用户程序想要访问IO设备需要调用操作系统提供的接口,即系统调用.当在用户程序中调用一个read操作时,系统先保存好read操作的参数,然后调用int 80命令(也可能是sysenter)进入内核空间,在内核空间中,读操作的逻辑由sys_read函数实现.

    在讲sys_read的实现过程之前,我们先来看看read操作在内核空间需要经历的层次结构.从图中可以看出,read操作首先经过虚拟文件系统曾(vfs), 接下来是具体的文件系统层,Page cache层,通用块层(generic block layer),I/O调度层(I/O scheduler layer),块设备驱动层(block device driver layer),最后是块物理设备层(block device layer).


  • 虚拟文件系统层:该层屏蔽了下层的具体操作,为上层提供统一的接口,如vfs_read,vfs_write等.vfs_read,vfs_write通过调用下层具体文件系统的接口来实现相应的功能.
  • 具体文件系统层:该层针对每一类文件系统都有相应的操作和实现了,包含了具体文件系统的处理逻辑.
  • page cache层:该层缓存了从块设备中获取的数据.引入该层的目的是避免频繁的块设备访问,如果在page cache中已经缓存了I/O请求的数据,则可以将数据直接返回,无需访问块设备.
  • 通过块层:接收上层的I/O请求,并最终发出I/O请求.该层向上层屏蔽了下层设备的特性.
  • I/O调度层:   接收通用块层发出的 IO 请求,缓存请求并试图合并相邻的请求(如果这两个请求的数据在磁盘上是相邻的)。并根据设置好的调度算法,回调驱动层提供的请求处理函数,以处理具体的 IO 请求
  • 块设备驱动层:从上层取出请求,并根据参数,操作具体的设备.
  • 块设备层:真正的物理设备.

    了解了内核层次的结构,让我们来看一下read操作的代码实现.
     sys_read函数声明在include/linux/syscalls.h文件中,
asmlinkage long sys_read(unsigned int fd, char __user *buf, size_t count);
     
      其函数实现在fs/read_write.c文件中:
SYSCALL_DEFINE3(read, unsigned int, fd, char __user *, buf, size_t, count)
{
	struct fd f = fdget(fd);
	ssize_t ret = -EBAD
<think>好的,我现在要回答用户关于KVM_EXIT_IOKVM_EXIT_MMIO区别的问题。首先,我需要回忆KVM的基本知识。KVM内核虚拟机,允许Linux作为hypervisor运行虚拟机。当虚拟机执行某些需要宿主干预的操作时,会触发退出事件(VM-Exit),这时候KVM会处理这些事件,然后恢复虚拟机运行。 用户提到的KVM_EXIT_IOKVM_EXIT_MMIO是两种不同的退出原因,分别对应I/O和内存映射I/O操作。我需要先明确两者的基本概念和区别。 首先,KVM_EXIT_IO应该对应传统的端口I/O(Port I/O),也就是通过IN和OUT指令访问的I/O端口。这种I/O方式在x86架构中有专门的地址空间,与内存地址空间分开。当虚拟机执行这样的指令时,KVM会触发退出,让用户空间的程序(如QEMU)处理这些I/O请求。 而KVM_EXIT_MMIO应该对应内存映射的I/O(Memory-Mapped I/O),即通过普通的内存访问指令(如MOV)来访问特定的物理地址。这些地址被映射到设备的寄存器或内存,而不是实际的RAM。当虚拟机访问这样的地址时,KVM同样会退出,由用户空间处理。 接下来,我需要更详细地区分两者的不同点。首先访问方式不同,端口I/O使用专门的指令,而MMIO使用内存读写。地址空间方面,端口I/O有独立的16位地址空间,而MMIO使用物理内存地址。退出原因的处理上,两者的数据结构可能不同,比如KVM_EXIT_IO会有端口号、方向(输入/输出)、数据大小和数量等信息,而KVM_EXIT_MMIO会包含访问的物理地址、数据长度、方向和具体的数据值。 然后,应用场景方面,传统设备如旧式串口、IDE控制器可能使用端口I/O,而现代设备如PCI设备通常使用MMIO。性能方面,MMIO可能更高效,因为可以利用内存总线,但具体还要看实现。 需要确认KVM处理这两种退出的流程是否正确。例如,当发生KVM_EXIT_IO时,用户空间模拟器需要读取或写入指定的端口;而MMIO则需要处理内存访问,可能需要模拟设备的寄存器读写。 还要注意数据结构的具体字段,例如KVM_EXIT_IO结构中的port、count、size等,而MMIO结构中的phys_addr、data、len等。这些字段在KVM的API文档中有定义,需要确保描述准确。 可能还需要提到些实际例子,比如当QEMU模拟个设备时,如果设备使用端口I/O,则通过KVM_EXIT_IO处理;如果使用MMIO,则通过KVM_EXIT_MMIO处理。这样用户更容易理解两者的应用场景。 需要检查是否存在其他相关退出原因,但用户的问题只涉及这两个,所以不需要扩展。另外,确保回答结构清晰,分点说明区别,可能用列表或对比的方式更直观。 最后,用中文组织内容,保持技术准确性,同时语言通俗易懂,帮助用户逐步理解这两个概念的区别。</think>KVM中`KVM_EXIT_IO`和`KVM_EXIT_MMIO`是虚拟机退出(VM-Exit)的两种常见原因,它们的核心区别在于**访问设备的方式和地址空间类型**。以下是详细对比: --- ### 1. **基本定义** - **`KVM_EXIT_IO`** 当虚拟机Guest)尝试通过**端口I/O**(Port I/O)访问设备时触发,例如执行`IN`/`OUT`指令。 这类操作对应x86架构中独立的I/O地址空间(16位端口号),与内存地址空间分离。 - **`KVM_EXIT_MMIO`** 当虚拟机尝试通过**内存映射I/O**(Memory-Mapped I/O,MMIO)访问设备时触发,例如读写特定物理地址(如`MOV`指令)。 MMIO将设备寄存器映射到物理内存地址空间,通过内存读写指令操作设备。 --- ### 2. **技术差异对比** | **特征** | `KVM_EXIT_IO` | `KVM_EXIT_MMIO` | |-----------------------|-------------------------------|--------------------------------| | **访问方式** | 专用I/O指令(如`IN`/`OUT`) | 普通内存读写指令(如`MOV`) | | **地址空间** | 独立的16位I/O端口地址空间 | 物理内存地址空间 | | **退出原因** | 端口号+数据方向(输入/输出) | 物理地址+读写方向+数据内容 | | **典型应用场景** | 旧设备(如PS/2键盘、传统IDE) | 现代设备(如PCI设备、GPU显存) | | **性能特点** | 指令解码开销较高 | 可批量操作,效率更高 | --- ### 3. **数据结构差异** - **`KVM_EXIT_IO`结构** 包含以下关键信息: ```c struct kvm_run { // ... struct { uint8_t direction; // 输入(KVM_EXIT_IO_IN)或输出(KVM_EXIT_IO_OUT) uint8_t size; // 数据大小(1/2/4字节) uint16_t port; // I/O端口号 uint32_t count; // 数据数量 void *data; // 数据缓冲区 } io; }; ``` - **`KVM_EXIT_MMIO`结构** 包含以下关键信息: ```c struct kvm_run { // ... struct { uint64_t phys_addr; // 访问的物理地址 uint8_t data[8]; // 读写的数据(最大8字节) uint32_t len; // 数据长度(1/2/4/8字节) bool is_write; // 写操作为true,读操作为false } mmio; }; ``` --- ### 4. **处理流程** 1. **`KVM_EXIT_IO`处理** - QEMU/KVM用户空间模拟器(如QEMU)根据`port`和`direction`确定对应的设备。 - 执行读/写操作,例如从键盘控制器读取按键数据,或向串口发送数据。 - 结果通过`data`字段传递回虚拟机。 2. **`KVM_EXIT_MMIO`处理** - QEMU/KVM根据`phys_addr`判断访问的设备(如PCI设备的配置空间)。 - 若为写操作,将`data`写入模拟设备的寄存器;若为读操作,返回设备数据到虚拟机- 常用于模拟现代设备的寄存器访问(如网卡、GPU)。 --- ### 5. **实际案例** - **`KVM_EXIT_IO`示例** 虚拟机执行`OUT 0x60, AL`(向端口0x60写入AL寄存器值),触发`KVM_EXIT_IO`退出。QEMU模拟键盘控制器处理该操作。 - **`KVM_EXIT_MMIO`示例** 虚拟机访问地址`0xFE00_0000`(假设为网卡的MMIO区域),触发`KVM_EXIT_MMIO`退出。QEMU模拟网卡接收/发送数据包。 --- ### 总结 - **本质区别**:`KVM_EXIT_IO`对应传统端口I/O,`KVM_EXIT_MMIO`对应内存映射I/O。 - **选择依据**:现代设备倾向于使用MMIO(更灵活高效),而旧设备可能依赖端口I/O。 - **调试技巧**:可通过`kvm_stat`工具监控这两种退出的频率,优化设备模拟性能。
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