理解PCIE设备透传

PCIE设备透传解决的是使虚拟机直接访问PCIE设备的技术，通常情况下，为了使虚拟机能够访问Hypervisor上的资源，QEMU，KVMTOOL等虚拟机工具提供了"trap and emulate"， Virtio半虚拟化等机制实现。但是这些实现都需要软件的参与，性能较低。

trap and emulate情况下，虚拟机每次访问硬件资源都要进行VMExit退出虚拟机执行相应的设备模拟或者访问设备的操作，完成后再执行VMEnter进入虚拟机。频繁的模式切换导致IO访问的低效。

而Virtio则是一种半虚拟化机制，要求虚拟机中运行的操作系统需要加载特殊的virtio前端驱动(Virtio-xxx)，虚拟机通过循环命令队列和Hypervisor上运行的Virtio后端驱动进行通信，后端驱动负责适配不同的物理硬件设备，再收到命令后，后端驱动执行命令。

PCIE设备透传到底"透"了什么？

参考如下两篇文章搭建PCIE设备PASS-THROUGH的环境：

KVM虚拟化之小型虚拟机kvmtool的使用-CSDN博客

ubuntu18.04下pass-through直通realteck PCI设备到qemu-kvm虚拟机实践_kvm网卡直通-CSDN博客

透了HOST MEMORY

设备透传解决了让虚拟机中的驱动使用IOVA访问物理内存的问题，在KVMTOOL中，它是通过调用VFIO的VFIO_IOMMU_MAP_DMA 命令来实现的，用来将IOVA映射到具体的物理页面上（通过HVA 得到HVA对应的物理页面，再进行映射）。下图说明了一切问题：

0.映射SIZE为整个GPA大小，也就是虚拟机的整个物理内存。

1.kvm->ram_start和bank->host_addr相同，表示被映射的区域，VFIO驱动会通过bank->host_addr找到对应的PAGE页面。

2.iova为bank->guest_phys_addr，也就是虚拟机内的GPA。也就是说，IOMMU页表建立后，透传的设备驱动可以通过和CPU一致的物理地址，访问到真实的物理页面上（HPA），这样，从CPU和涉笔的角度，可以做大IOVA==GPA。

3.映射完成后，从虚拟机的角度来看，CPU看到的物理地址（GPA）和硬件看到的物理地址（IOVA）都通过各自的路径（前者通过EPT，后者通过IOMMU）访问同一个存储单元。

4. IOVA到HPA的映射通过HOST主机的VFIO驱动完成，VFIO驱动代码规模比较小，VFIO驱动的一个重要功能之一通过设备节点的方式，使用户态应用能够进行IOMMU映射，从这个角度来讲，VFIO是一个精简的IOMMU驱动和管理框架。

GPA和IOVA建立后的效果如下，设备和CPU通过相同的地址，就可以访问到同一个物理单元，这样虚拟机系统不需通过VMM就可以直接访问到设备，这就是设备“透传”的本质吧。

下面是一个演示设备透传的程序：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/mman.h>
#include <errno.h>
#include <linux/vfio.h>

#define IOVA_DMA_MAPSZ  (1*1024UL*1024UL)
#define IOVA_START      (0UL)
#define VADDR           0x400000000000
// refer https://www.cnblogs.com/dream397/p/13546968.html
// container fd: the container provides little functionality, with all but a couple vrson and extension query interfaces.
// 1. first identify the group associated wth the desired device.
// 2. unbinding the device from the host driver and binding it to a vfio driver, then a new group would appear for the group as /dev/vfio/$group.
//    make sure all the devices belongs to the group are all need to do the unbind and binding operations or error will got for next group ioctl.
// 3. group is ready, then add to the caontainer by opening the vfio group character device and use VFIO_GROUP_SET_CONTAINER ioctl to add the group
//    fd to container.depending the iommu, multi group can be set to one container.
// 4. after group adding to container, the remaning ioctls became available. enable the iommu device access.now you can get each device belongs the
//    iommu group and get the fd.
// 5. the vfio device ioctls includes for describing the device, the IO regions, and their read/write/mmap operations, and others such as describing
//    and registering interrupt notificactions.

/*
 * #1:echo vfio-pci > /sys/bus/pci/devices/0000:02:00.0/driver_override
 * #2:echo 10de 1d13 > /sys/bus/pci/drivers/vfio-pci/new_id
 *root@zlcao-RedmiBook-14:~# ls -l /dev/vfio/
 *总用量 0
 *crw------- 1 root root 243,   0 11月  8 12:40 12
 *crw-rw-rw- 1 root root  10, 196 11月  8 12:31 vfio
 */

int main(void)
{
	int container, group, device, i;
	void *maddr = NULL;
	struct vfio_group_status group_status = { .argsz = sizeof(group_status) };
	struct vfio_iommu_type1_info *iommu_info = NULL;
	size_t iommu_info_size = sizeof(*iommu_info);
	struct vfio_device_info device_info = { .argsz = sizeof(device_info) };
	struct vfio_iommu_type1_dma_map dma_map;
	struct vfio_iommu_type1_dma_unmap dma_unmap;

	container = open("/dev/vfio/vfio", O_RDWR);
	if (container < 0) {
		printf("%s line %d, open vfio container error.\n", __func__, __LINE__);
		return 0;
	}

	if (ioctl(container, VFIO_GET_API_VERSION) != VFIO_API_VERSION) {
		printf("%s line %d, vfio api version check failure.\n", __func__, __LINE__);
		return 0;
	}

	if (ioctl(container, VFIO_CHECK_EXTENSION, VFIO_TYPE1_IOMMU) == 0) {
		printf("%s line %d, vfio check extensin failure.\n", __func__, __LINE__);
		return 0;
	}

	group = open("/dev/vfio/9", O_RDWR);
	if (group < 0) {
		printf("%s line %d, open vfio group error.\n", __func__, __LINE__);
		return 0;
	}

	if (ioctl(group, VFIO_GROUP_GET_STATUS, &group_status)) {
		printf("%s line %d, failed to get vfio group status.\n", __func__, __LINE__);
		return 0;
	}

	if ((group_status.flags & VFIO_GROUP_FLAGS_VIABLE) == 0) {
		printf("%s line %d, vfio group is not viable.\n", __func__, __LINE__);
		return 0;
	}

	if (ioctl(group, VFIO_GROUP_SET_CONTAINER, &container)) {
		printf("%s line %d, vfio group set conatiner failure.\n", __func__, __LINE__);
		return 0;
	}

	if (ioctl(container, VFIO_SET_IOMMU, VFIO_TYPE1_IOMMU) != 0) {
		printf("%s line %d, vfio set type1 mode failure %s.\n", __func__, __LINE__, strerror(errno));
		return 0;
	}

	iommu_info = malloc(iommu_info_size);
	if (iommu_info == NULL) {
		printf("%s line %d, vfio alloc iommu info failure %s.\n", __func__, __LINE__, strerror(errno));
		return 0;
	}

	memset(iommu_info, 0x00, iommu_info_size);

	iommu_info->argsz = iommu_info_size;

	if (ioctl(container, VFIO_IOMMU_GET_INFO, iommu_info)) {
		printf("%s line %d, vfio failed to get iomu info, %s.\n", __func__, __LINE__, strerror(errno));
		return 0;
	}

	// todo
	// collect available iova regions from VFIO_IOMMU_GET_INFO.

	// 0000:02:00.0 must in this group.
	device = ioctl(group, VFIO_GROUP_GET_DEVICE_FD, "0000:02:00.0");
	if (device < 0) {
		printf("%s line %d, get vfio group device error.\n", __func__, __LINE__);
		return 0;
	}

	ioctl(device, VFIO_DEVICE_RESET);

	if (ioctl(device, VFIO_DEVICE_GET_INFO, &device_info)) {
		printf("%s line %d, get vfio group device info error.\n", __func__, __LINE__);
		return 0;
	}

	{
		struct vfio_region_info region = {
			.index = VFIO_PCI_CONFIG_REGION_INDEX,
			.argsz = sizeof(struct vfio_region_info),
		};

		if (ioctl(device, VFIO_DEVICE_GET_REGION_INFO, &region)) {
			printf("%s line %d, get vfio group device region info error.\n", __func__, __LINE__);
			return 0;
		}
	}

	maddr = mmap((void *)VADDR, IOVA_DMA_MAPSZ, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS | MAP_FIXED, -1, 0);
	if (maddr == MAP_FAILED) {
		printf("%s line %d, faild to map buffer, error %s.\n", __func__, __LINE__, strerror(errno));
		return -1;
	}

	memset(&dma_map, 0x00, sizeof(dma_map));

	dma_map.argsz = sizeof(dma_map);
	dma_map.flags = VFIO_DMA_MAP_FLAG_READ | VFIO_DMA_MAP_FLAG_WRITE;
	dma_map.iova = IOVA_START;
	dma_map.vaddr = (unsigned long)maddr;
	dma_map.size = IOVA_DMA_MAPSZ;

	if (ioctl(container, VFIO_IOMMU_MAP_DMA, &dma_map)) {
		printf("%s line %d, faild to do dma map on this conatainer.\n", __func__, __LINE__);
		return -1;
	}

	printf("%s line %d, do vfio dma mamp 1M memory buffer success, the iova is 0x%llx, dmaavddr 0x%llx, userptr %p.\n",
	       __func__, __LINE__, dma_map.iova, dma_map.vaddr, maddr);

	memset(&dma_unmap, 0x00, sizeof(dma_unmap));
	dma_unmap.argsz = sizeof(dma_unmap);
	dma_unmap.iova = IOVA_START;
	dma_unmap.size = IOVA_DMA_MAPSZ;

	if (ioctl(container, VFIO_IOMMU_UNMAP_DMA, &dma_unmap)) {
		printf("%s line %d, faild to do dma unmap on this conatainer.\n", __func__, __LINE__);
		return -1;
	}

	munmap((void *)maddr, IOVA_DMA_MAPSZ);
	close(device);
	close(group);
	close(container);

	return 0;
}

测试程序在IOMMU上影射了1M的空间，IOVA范围为[0, 0x100000]，我们DUMP PCIE连接IOMMU其页表为：

然后DUMP HOST HVA[0x400000000000,0x400000100000]范围的页表映射：

仔细对比两张截图，会发现他们的物理页框顺序完全一致，这样，在虚拟机中CPU通过GPA访问得到的数据和设备通过同样的IOVA访问的数据会保持一致，就像在真实的硬件上执行时的情况一样，这就是透传的效果，IOMMU功不可没，它让GUEST OS中具备了越过VMM直接访问设备的能力。

PCIE BAR空间的透传

PCI设备上可能会有板上的存储空间，比如PCIE显卡上的独立显存，或者PCIE网卡上的发送和接收缓冲队列，处理器需要将这些板上的内存映射到地址空间进行访问，但是与标准中预先定义好的内存不同，不同的机器上插的PCIE设备不同，这些都是变化的，处理器不可能为所有的PCIE设备预先定义一个地址空间的映射方案，因此，PCI标准提出了一个灵活的办法，各个PCIE设备自己提出需要占据的地址空间大小，以及映射方式（MMIO还是PIO），然后将这些诉求信息记录在配置空间的BAR字段，每个PCIE设备最多可以映射六个区域，对应六个BAR，至于映射到地址空间的什么位置，由BIOS在系统初始化时，查询PCIE设备的诉求信息，统一为PCI设备划分地址空间。

注意，前面提到的地址空间是PA（HPA 或者GPA）。

那么VCPU是如何访问透传到虚拟机的PCIE设备的BAR空间，从而达到访问PCIE设备上的存储的目的的呢？

先看一个PCIE设备透传前后，BAR空间映射的例子：

Realtek的一块PCIE有线网卡的信息如下，可以看到，它有三个BAR空间， BAR0是PIO模式访问的IO空间，BAR2是一块MMIO映射的Memory，大小为4K，启动时BIOS分配的地址是0xdf104000,最后一块BAR是Region4,它的起始地址为0xdf100000，大小为16K。当前设备使用的kernel-driver是vfio-pci，说明当前设备已经处于透传状态。

在虚拟机中的设备状态如下，虚拟机中的lspci工具基于BB，比较简陋，但是我们仍然能够通过vendor id/product id确认设备00:00.0就是透传到虚拟机的网卡设备：

lspci无法得到设备BAR信息，可以通过/proc/iomem以及/proc/ioport获取，如下图，我们找到了透传到虚拟机后的网卡的三个BAR空间信息，从每个BAR的大小来看，是和主机端一致的，这也侧面说明我们找对了。

BAR资源的透传是说，从VM中访问资源地址0xd2004000， 和在HOST中访问0xdf100000访问到的内容是一样的,它的过程和在KVM中添加一个内存条的步骤是一致的，都是将一个HVA区域映射到 VM中一段指定的GPA，只不过，在映射内存的时候，HVA是mmap映射的一段主存，而GPA是0（VM的物理地址从0开始），而在映射BAR空间的时候，HVA则是用户态MMAP HOST机上的BAR空间得到的用户态地址，GPA则成为了一段VM中的一段空闲的物理空间，这里是0xd2004000。

整个映射的逻辑如下图所示：

KVMTOOL定义了PCIE MMIO GPA的范围:

参考文章

基于virtio的半虚拟化概述 - 知乎

结束

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