VT-d 中断重映射分析
本文中我们将一起来分析一下VT-d中断重映射的代码实现， 在看本文前建议先复习一下VT-d中断重映射的原理，可以参考VT-D Interrupt Remapping这篇文章。 看完中断重映射的原理我们必须明白：直通设备的中断是无法直接投递到Guest中的，需要先将其中断映射到host的某个中断上，然后再重定向（由VMM投递）到Guest内部．
我们将从
- 1.中断重映射Enable
- 2.中断重映射实现
- 3.中断重映射下中断处理流程
这3个层面去分析VT-d中断重映射的代码实现。
1.中断重映射Enable
当BIOS开启VT-d特性之后，操作系统初始化的时候会通过cpuid去检测硬件平台是否支持VT-d Interrupt Remapping能力， 然后做一些初始化工作后将操作系统的中断处理方式更改为Interrupt Remapping模式。
start_kernel
--> late_time_init --> x86_late_time_init
--> x86_init.irqs.intr_mode_init()
--> apic_intr_mode_init
--> default_setup_apic_routing
--> enable_IR_x2apic
--> irq_remapping_prepare # Step1:使能Interrupt Reampping
--> intel_irq_remap_ops.prepare()
--> remap_ops = &intel_irq_remap_ops
--> irq_remapping_enable # Step2:做一些工作
--> remap_ops->enable()
从代码堆栈可以看到内核初始化的时候会初始化中断，在default_setup_apic_routing中会分2个阶段对Interrupt Remapping进行Enable。 这里涉及到一个关键的数据结构intel_irq_remap_ops，它是Intel提供的Intel CPU平台的中断重映射驱动方法集。
struct irq_remap_ops intel_irq_remap_ops = {
.prepare = intel_prepare_irq_remapping,
.enable = intel_enable_irq_remapping,
.disable = disable_irq_remapping,
.reenable = reenable_irq_remapping,
.enable_faulting = enable_drhd_fault_handling,
.get_ir_irq_domain = intel_get_ir_irq_domain,
.get_irq_domain = intel_get_irq_domain,
};
阶段1调用intel_irq_remap_ops的prepare方法。该方法主要做的事情有：
- 调用了dmar_table_init从ACPI表中解析了DMAR Table关键信息。 关于VT-d相关的ACPI Table信息可以参考VT-D Spec Chapter 8 BIOS Consideration和Introduction to Intel IOMMU 这篇文章。
- 遍历每个iommu检查是否支持中断重映射功能（dmar_ir_support）。
- 调用intel_setup_irq_remapping为每个IOMMU分配中断重映射表（Interrupt Remapping Table）。
static int intel_setup_irq_remapping(struct intel_iommu *iommu)
{
ir_table = kzalloc(sizeof(struct ir_table), GFP_KERNEL);
//为IOMMU申请一块内存，存放ir_table和对应的bitmap
pages = alloc_pages_node(iommu->node, GFP_KERNEL | __GFP_ZERO,
INTR_REMAP_PAGE_ORDER);
bitmap = kcalloc(BITS_TO_LONGS(INTR_REMAP_TABLE_ENTRIES),
sizeof(long), GFP_ATOMIC);
// 创建ir_domain和ir_msi_domain
iommu->ir_domain =
irq_domain_create_hierarchy(arch_get_ir_parent_domain(),
0, INTR_REMAP_TABLE_ENTRIES,
fn, &intel_ir_domain_ops,
iommu);
irq_domain_free_fwnode(fn);
iommu->ir_msi_domain =
arch_create_remap_msi_irq_domain(iommu->ir_domain,
"INTEL-IR-MSI",
iommu->seq_id);
ir_table->base = page_address(pages);
ir_table->bitmap = bitmap;
iommu->ir_table = ir_table;
iommu_set_irq_remapping //最后将ir_table地址写入到寄存器中并最后enable中断重映射能力
}
阶段2调用irq_remapping_enable中判断Interrupt Remapping是否Enable如果还没有就Enable一下，然后set_irq_posting_cap设置Posted Interrupt Capability等。
2.中断重映射实现
要使得直通设备的中断能够工作在Interrupt Remapping模式下VFIO中需要做很多的准备工作．
首先，QEMU会通过PCI配置空间向操作系统呈现直通设备的MSI/MSI-X Capability，
这样Guest OS加载设备驱动程序时候会尝试去Enable直通设备的MSI/MSI-X中断．
为了方便分析代码流程这里以MSI中断为例。
Guest OS设备驱动尝试写配置空间来Enable设备中断，这时候会访问设备PCI配置空间发生VM Exit被QEMU截获处理．
对于MSI中断Enable会调用vfio_msi_enable函数．
从PCI Local Bus Spec 可以知道MSI中断的PCI Capability为xxx
QEMU Code:
static void vfio_msi_enable(VFIOPCIDevice *vdev)
{
int ret, i;
vfio_disable_interrupts(vdev); #先disable设备中断
vdev->nr_vectors = msi_nr_vectors_allocated(&vdev->pdev); #从设备配置空间读取设备Enable的MSI中断数目
vdev->msi_vectors = g_new0(VFIOMSIVector, vdev->nr_vectors);
for (i = 0; i < vdev->nr_vectors; i++) {
VFIOMSIVector *vector = &vdev->msi_vectors[i];
vector->vdev = vdev;
vector->virq = -1;
vector->use = true;
if (event_notifier_init(&vector->interrupt, 0)) {
error_report("vfio: Error: event_notifier_init failed");
}
qemu_set_fd_handler(event_notifier_get_fd(&vector->interrupt), // 绑定irqfd的处理函数
vfio_msi_interrupt, NULL, vector);
// 将中断信息刷新到kvm irq routing table里，其实就是建立起gsi和irqfd的映射关系
vfio_add_kvm_msi_virq(vdev, vector, i, false);
}
/* Set interrupt type prior to possible interrupts */
vdev->interrupt = VFIO_INT_MSI;
// 使能msi中断！！！重点分析
ret = vfio_enable_vectors(vdev, false);
....
}
vfio_msi_enable的主要流程是：从配置空间查询支持的中断数目 --> 对每个MSI中断进行初始化（分配一个irqfd） --> 将MSI gsi信息和irqfd绑定并刷新到中断路由表中 --> 使能中断（调用vfio-pci内核ioctl为MSI中断申请irte并刷新中断路由表表项）。
QEMU Code:
vfio_pci_write_config
--> vfio_msi_enable
--> vfio_add_kvm_msi_virq
--> kvm_irqchip_add_msi_route #为MSI中断申请gsi，并更新irq routing table（QEMU里面有一份Copy）
--> kvm_irqchip_commit_routes
--> kvm_irqchip_add_irqfd_notifier_gsi #将irqfd和gsi映射信息注册到kvm内核模块中fd = kvm_interrupt, gsi=virq, flags=0, rfd=NULL
--> kvm_vm_ioctl(s, KVM_IRQFD, &irqfd)
--> vfio_enable_vectors
--> ioctl(vdev->vbasedev.fd, VFIO_DEVICE_SET_IRQS, irq_set) #调用vfio-pci内核接口使能中断，重点分析！
kvm_irqchip_commit_routes的逻辑比较简单这里跳过，kvm_irqchip_add_irqfd_notifier_gsi的逻辑稍微有些复杂后面专门写一篇来分析，
只需要知道这里是将gsi和irqfd信息注册到内核模块中（KVM irqfd提供了一种中断注入机制）并且可以在这个fd上监听事件来达到中断注入的目的。
这里重点分析vfio_enable_vectors的代码流程。
Kernel Code:
vfio_enable_vectors
--> vfio_pci_ioctl // irq_set 传入了一个irqfd数组
--> vfio_pci_set_irqs_ioctl
--> vfio_pci_set_msi_trigger
--> vfio_msi_enable #Step1：为MSI中断申请Host IRQ，这里会一直调用到Interrupt Remapping框架分配IRTE
--> pci_alloc_irq_vectors
--> vfio_msi_set_block #Step2：这里绑定irqfd，建立好中断注入通道
--> vfio_msi_set_vector_signal
vfio_pci_set_msi_trigger函数中主要有2个关键步骤。
vfio_msi_enable
vfio_msi_enable -> pci_alloc_irq_vectors -> pci_alloc_irq_vectors_affinity -> __pci_enable_msi_range -> msi_capability_init -> pci_msi_setup_msi_irqs -> arch_setup_msi_irqs -> x86_msi.setup_msi_irqs -> native_setup_msi_irqs -> msi_domain_alloc_irqs -> __irq_domain_alloc_irqs,irq_domain_activate_irq
这里内核调用栈比较深，我们只需要知道vfio_msi_enable最终调用到了__irq_domain_alloc_irqs -> intel_irq_remapping_alloc.
在intel_irq_remapping_alloc中申请这个中断对应的IRTE。这里先调用的alloc_irte函数返回irte在中断重映射表中的index号（即中断重映射表的索引号），再调用intel_irq_remapping_prepare_irte去填充irte。
static int intel_irq_remapping_alloc(struct irq_domain *domain,
unsigned int virq, unsigned int nr_irqs,
void *arg)
{
index = alloc_irte(iommu, virq, &data->irq_2_iommu, nr_irqs); #向Interrupt Remapping Table申请index
for (i = 0; i < nr_irqs; i++) {
irq_data = irq_domain_get_irq_data(domain, virq + i);
irq_cfg = irqd_cfg(irq_data);
irq_data->hwirq = (index << 16) + i;
irq_data->chip_data = ird;
irq_data->chip = &intel_ir_chip;
intel_irq_remapping_prepare_irte(ird, irq_cfg, info, index, i);
}
}
irq_domain_activate_irq最终会调用到：intel_irq_remapping_activate -> intel_ir_reconfigure_irte -> modify_irte 。
modify_irte中会将新的irte刷新到中断重定向表中。
vfio_msi_set_block
vfio_msi_set_block中调用vfio_msi_set_vector_signal为每个msi中断安排其Host IRQ的信号处理钩子，用来完成中断注入。
其内核调用栈为：
vfio_pci_ioctl
vfio_pci_set_irqs_ioctl
vfio_pci_set_msi_trigger
vfio_msi_set_block
irq_bypass_register_producer
__connect
kvm_arch_irq_bypass_add_producer
vmx_update_pi_irte #在Posted Interrupt模式下在这里刷新irte为Posted Interrupt模式
irq_set_vcpu_affinity
intel_ir_set_vcpu_affinity
modify_irte
再看下一vfio_msi_set_vector_signal的代码主要流程。
可以看出vfio_msi_set_vector_signal中为设备MSI中断申请了一个ISR，即vfio_msihandler，
然后注册了一个producer。
static int vfio_msi_set_vector_signal(struct vfio_pci_device *vdev,
int vector, int fd, bool msix)
{
irq = pci_irq_vector(pdev, vector); #获得每个MSI中断的irq号，
trigger = eventfd_ctx_fdget(fd);
if (msix) {
struct msi_msg msg;
get_cached_msi_msg(irq, &msg);
pci_write_msi_msg(irq, &msg);
}
#在host上申请中断处理函数
ret = request_irq(irq, vfio_msihandler, 0,
vdev->ctx[vector].name, trigger);
vdev->ctx[vector].producer.token = trigger; # irqfd对应的event_ctx
vdev->ctx[vector].producer.irq = irq;
ret = irq_bypass_register_producer(&vdev->ctx[vector].producer);
vdev->ctx[vector].trigger = trigger;
}
这样直通设备的中断会触发Host上的vfio_msihandler这个中断处理函数。在这个函数中向这个irqfd发送了一个信号通知中断到来， 如此一来KVM irqfd机制在poll这个irqfd的时候会受到这个事件，随后调用事件的处理函数注入中断。 irqfd_wakeup -> EPOLLIN -> schedule_work(&irqfd->inject) -> irqfd_inject -> kvm_set_irq这样就把中断注入到虚拟机了。
static irqreturn_t vfio_msihandler(int irq, void *arg)
{
struct eventfd_ctx *trigger = arg;
eventfd_signal(trigger, 1);
return IRQ_HANDLED;
}
思考一下：为什么触发这个irqfd的写事件后，直通设备的中断就能够被重映射到虚拟机内部呢？
原因在于，前面我们提到的直通设备MSI中断的GSI和irqfd是一对一绑定的， 所以直通设备在向Guest vCPU投递MSI中断的时候首先会被IOMMU截获， 中断被重定向到Host IRQ上，然后通过irqfd注入MSI中断到虚拟机内部。
3.中断重映射下中断处理流程
为了方便理解，我花了点时间画了下面这张图，方便读者理解中断重映射场景下直通设备的中断处理流程：
或者参考一下下面的原理图：
总结一下中断重映射Enable和处理流程：
QEMU向虚拟机呈现设备的PCI配置空间信息
-> 设备驱动加载，读写PCI配置空间Enable MSI
-> VM Exit到QEMU中处理vfio_pci_write_config
-> QEMU调用vfio_msi_enable使能直通设备MSI中断
vfio_msix_vector_do_use分配一个MSI中断
->vfio_add_kvm_msi_virq
kvm_irqchip_add_msi_route -> kvm_set_irq_routing新建一个MSI中断路由表项，
kvm_irqchip_add_irqfd_notifier_gsi -> kvm_irqchip_assign_irqfd注册irqfd和gsi的映射关系
vfio_enable_vectors设置VFIO的MSI中断触发方式，VFIO_DEVICE_SET_IRQS
vfio_pci_set_irqs_ioctl 内核drivers/vfio/pci/vfio_pci.c
vfio_pci_set_msi_trigger分配Host irq并分配对应的IRTE和刷新中断重映射表，
vfio_msi_set_vector_signal注册Host irq的中断处理函数vfio_msihandler
irq_bypass_register_producer 将fd注册到kvm
-> vfio_msihandler写了irqfd这样就触发了EPOLLIN事件
-> irqfd接受到EPOLLIN事件，调用irqfd_wakeup
-> kvm_arch_set_irq_inatomic 尝试直接注入中断，如果被BLOCK了（vCPU没有退出？）就调用 schedule_work(&irqfd->inject)，让kworker延后处理
-> irqfd_inject向虚拟机注入中断 -> 虚拟机退出的时候写对应VCPU的vAPIC Page IRR字段注入中断到Guest内部。
Done!