QEMU：QEMU与KVM基础

参考

qemu的详细资料大全（入门必看！！！）
understanding qemu
QEMU 用户模式（User Mode）流程及源码分析 (一)
QEMU/KVM原理概述
2. 详解 QEMU 架构
KVM虚拟机代码揭秘——QEMU代码结构分析
qemu源码架构
Kernelgo’s KVM学习笔记

介绍

QEMU是一个类似于bochs或vmware的开源虚拟机项目，基于C/C++，主要对嵌入式开发中常用的一些处理器进行模拟，如arm、riscv等。

QEMU支持两种操作模式：

1. 全系统仿真模式：在这种模式下，QEMU完整的仿真目标平台，相当于一台完整的主机，包括一个或多个处理器以及各种外围设备。此种模式可以用来运行不同的操作系统或用于调试操作系统的代码。
2. 用户态仿真模式：在这种模式下，QEMU可以看作是其他架构指令代码的即时编译执行器，适合于guest机架构的代码通过系统调用的方式，使用host机的内核，并和host机使用相同的资源。

QEMU与KVM

在全系统仿真模式下，QEMU必须在Linux系统上运行，并借助KVM或XEN，利用intel或amd提供的硬件辅助虚拟化技术，使虚拟出来的机器达到接近真机的性能。

关系

QEMU与KVM的关系如图：

在物理机启动时，KVM创建/dev/kvm设备文件。当QEMU创建虚拟机时，KVM为该虚拟机进程创建一个VM的文件描述符，当创建vCPU时，KVM为每个vCPU创建一个文件描述符，同时向用户空间提供了一系列针对特殊设备文件的ioctl系统调用。

架构

详细的架构如下：

VMX root：CPU在运行宿主机内核和宿主机上的普通进程时所处的模式。
VMX non root：CPU在运行虚拟机中的操作系统代码和用户程序时所处的模式。

QEMU的任务（图中左上）

• QEMU运行在宿主机的用户空间中。
• 创建模拟芯片组
• 创建CPU线程来表示虚拟机的CPI执行流
• 在QEMU的虚拟地址空间中分配空间作为虚拟机的物理地址
• 根据用户在命令行指定的设备为虚拟机创建对应的虚拟设备
• 在主线程中监听多种事件，如虚拟机对设备的I/O访问、虚拟设备对应宿主机上的一些I/O事件等。

虚拟机的运行（图中右上）

• 虚拟机中的一个CPU对应宿主机的一个线程，通过QEMU与KVM的合作，这些线程可直接被宿主机的操作系统调度并执行。
• 虚拟机的物理内存对应于QEMU中的虚拟内存，地址转换过程为：虚拟机的虚拟地址 -> 虚拟机的物理地址 -> （通过KVM页表）-> 宿主机物理地址。
• 虚拟机的设备通过QEMU呈现，虚拟机的操作系统启动时进行设备枚举、加载驱动。
• 虚拟机与宿主机的交互通过I/O端口或MMIO（Memory Mapped I/O）进行，交互请求由KVM截获后，分发到宿主机的QEMU进程进行处理。

KVM驱动（图中下部）

• KVM运行在宿主机的内核空间中。
• KVM通过/dev/kvm设备导出了一系列接口，QEMU可以通过这些接口来配置虚拟机的参数，如CPU个数、内存布局等。
• KVM需要截获虚拟机产生的虚拟机退出（VM Exit）事件进行处理。

QEMU架构

• Hypervisor（虚拟机管理程序）：是一种负责创建和运行虚拟机的虚拟机监视程器，它从磁盘映像加载虚拟机的二进制机器代码，使用微代码生成器TCG将其转换为宿主机的代码，连接到虚拟或实际设备，并启动软件MMU。在集成了KVM的QEMU版本中，用KVM的Hypervisor替代了QEMU原生的Hypervisor。
• TCG（微代码生成器）：QEMU将适合虚拟机架构的指令先翻译为TCG中间代码，再将中间代码翻译为宿主机架构的指令。具体来说，先把每一条虚拟机架构上的指令切分为若干条微操作，每条微操作采用一段简单的C代码来实现，运行时通过TCG，把微操作组合成一个函数加以执行，就相当于在宿主机上执行了虚拟机架构的指令。
• MMU：软件内存管理单元：处理对计算机存储地址的访问。当处理器想要访问某个地址（可以是Cache / RAM / 光盘等）时，由MMU获取该地址处的内容。
• 硬件设备：在QEMU中有两种使用设备的方式，一种是直通模式，虚拟机直接使用实际的物理设备；另一种是仿真模式，虚拟机使用由QEMU的设备驱动仿真实现的模拟设备。
• 磁盘映像：QEMU可以处理数种不同的磁盘映像格式，首选为raw或qcon2。QEMU的存储协议栈如下图，三种颜色分别代表虚拟机、QEMU、宿主机。虚拟机通过仿真硬件与QEMU交互，并将I/O执行情况的控制流和数据流交互给QEMU，再由QEMU代表虚拟机，向宿主机发起I/O请求。
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