arm架构的虚拟化是什么
本篇将继续带大家了解arm虚拟化的相关内容。
介绍了虚拟化和hypervisor的基本概念。为了配合虚拟化，arm做了许多工作，首先是定义了四个异常等级（exception level，简称el）。前面介绍异常和特权的文章中有介绍，此处再啰嗦几句。每个异常级别都有编号，分别是el0-3，权限级别越高，对应的编号越高。用户程序运行在el0，操作系统运行在el1，虚拟机监控程序（hypervisor）运行在el2，固件程序（firmware）运行在el3。这里插一句，在intel的体系中，类似的概念是ring0-3。
图1
在arm的架构下，系统寄存器在不同的异常等级下是独立的寄存器，在指令集中有自己的编码，并在硬件中单独实现。这些系统寄存器可以根据后缀区分出可以访问的等级。例如，ttbr0_el1是保存转换表基址的寄存器。如果el0访问此寄存器，将会触发一个异常。
在高异常等级下可以访问低异常等级的寄存器，虽然大多数情况下不会这么做。但在某些场景下，还是需要的。比如在上下文切换或电源管理操作期间，更多特权级别有时会访问与较低异常级别关联的寄存器，以实现虚拟化功能或读写寄存器集，作为保存和还原操作的一部分。
除了异常等级，还有两个概念：执行状态（execution state）和安全状态（security state）。
armv8-a有两种可用的执行状态：
aarch32：32位执行状态。此状态下的操作与armv7-a兼容。有两个可用的指令集：t32和a32。标准寄存器宽度为32位。
aarch64：64位执行状态。有一个可用的指令集：a64。标准寄存器宽度为64位。
armv8-a架构实现两种安全状态，允许对软件进行进一步的分区，以隔离和划分受信任的软件：
安全状态：在此状态下，处理单元（processing element）可以访问安全的和非安全的物理地址空间。在这种状态下，pe可以访问安全和非安全系统寄存器。在这种状态下运行的软件只能响应安全中断。
非安全状态：在此状态下，pe只能访问非安全物理地址空间。pe也只能访问允许非安全访问的系统寄存器。在此状态下运行的软件只能响应非安全中断。
有了以上的概念，我们来看一下aarch64的虚拟化，如下图。图中安全状态的el2用灰色显示，是因为安全状态的el2并不总是可用。
图2
说起虚拟化，其实可以分为几大块：cpu虚拟化，内存虚拟化，io虚拟化，中断虚拟化。cpu虚拟化这里没太多好讲的，区分虚拟机（vm）和虚拟cpu(vcpu)就好，方便阅读文档。一个虚拟机里面可能包含一个或多个虚拟cpu。vm不等同于vcpu，比如，一个内存页面可以被分配一个vm，因此所有属于该vm的所有vcpu都可以访问它。而一个虚拟中断只是针对某个vcpu，因此只有该vcpu可以收到。在arm的文档里，关于处理器更为严谨的定义是处理单元（processing element，pe），因为cpu可能包含多个内核或线程，而pe用来指代单一的执行单元。
图3
接下来先来看看内存虚拟化。百度百科的定义是这样的，“虚拟内存是计算机系统内存管理的一种技术。它使得应用程序认为它拥有连续的可用的内存（一个连续完整的地址空间），而实际上，它通常是被分隔成多个物理内存碎片，还有部分暂时存储在外部磁盘存储器上，在需要时进行数据交换”。讲内存虚拟化之前要了解一下虚拟地址（virtual address,va）。在最早期的计算机中，程序是直接访问物理地址（physical address）的。如果每次只运行一个程序，这种直接访问物理地址的方式没有问题，但是如果要运行多个程序，就会带来很多问题。比如，如何防止恶意程序访问为其它程序分配的物理内存，或者如何避免内存碎片等等。为了解决直接访问物理地址带来的种种问题，人们想出了一个办法，在直接访问物理地址前加上一个间接地址。这样，程序中访问的内存地址不再是实际的物理内存地址，而是一个虚拟地址，然后由操作系统将这个虚拟地址映射到适当的物理内存地址上。这样，只要操作系统管理好虚拟地址到物理内存地址的映射，就可以保证不同的程序最终访问的内存地址位于不同的区域，而且可以加上地址保护策略，隔绝程序间互相访问。
为了支持虚拟化，armv8-a支持两步地址转换，也就是文档常提到的stage2translation。stage2转换允许hypervisor控制虚拟机（vm）的内存视图。具体来说，它允许hypervisor控制虚拟机可以访问哪些系统资源，以及这些资源在虚拟机地址空间中的位置。stage2转换使得虚拟机只能看到分配给它自己的资源，而看不到分配给其它虚拟机或hypervisor的资源。
图4
操作系统（os）控制一组地址转换表，负责从虚拟地址空间映射到它认为是物理地址空间的。由hypervisor负责控制第二步地址转换，得到真实的物理地址。
操作系统控制的转换称为阶段1（stage1）转换，管理程序控制的转换称为阶段2（stage2）转换。操作系统认为是物理内存的地址空间称为中间物理地址（intermediate physical address，ipa）空间。所以，地址转换的过程是va->ipa->pa。
每个vm会被分配一个虚拟机标识符（virtual machine identifier，vmid）。vmid用于标记tlb条目，以标识每个条目所属的哪个vm。此标记允许tlb中同时存在多个不同vm的翻译。tlb条目也可以用地址空间标识符（address space identifier，asid）进行标记。操作系统为应用程序分配一个asid，该应用程序中的所有tlb条目都标记有该asid。这意味着不同应用程序的tlb条目能够在tlb中共存，而不存在一个应用程序使用属于不同应用程序的tlb条目的可能性。每个vm都有自己的asid命名空间。例如，两个虚拟机可能都使用asid 5，但它们用于不同的用途。
stage1和stage2映射都包含属性，如类型和访问权限。内存管理单元（mmu）将两个阶段的属性组合在一起，以给出最终的有效值。mmu通过选择限制性更强的阶段来实现这一点。下图的例子中，device类型比normal类型更具限制性。因此，最后的类型是device。如果反过来，stage1=normal，stage2=device，最后的结果是一样。
图5
这种组合属性的方法适用于大多数用例，但有时hypervisor可能希望覆盖这种行为。例如，在vm的早期启动期间。
vm的ipa地址空间同样被划分成内存与外围设备的区域。vm可以访问实际物理外围设备（通常称为直接分配的外设）和虚拟外设。hypervisor在软件中完全模拟虚拟外设。
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图1
在arm的架构下，系统寄存器在不同的异常等级下是独立的寄存器，在指令集中有自己的编码，并在硬件中单独实现。这些系统寄存器可以根据后缀区分出可以访问的等级。例如，ttbr0_el1是保存转换表基址的寄存器。如果el0访问此寄存器，将会触发一个异常。
在高异常等级下可以访问低异常等级的寄存器，虽然大多数情况下不会这么做。但在某些场景下，还是需要的。比如在上下文切换或电源管理操作期间，更多特权级别有时会访问与较低异常级别关联的寄存器，以实现虚拟化功能或读写寄存器集，作为保存和还原操作的一部分。
除了异常等级，还有两个概念：执行状态（execution state）和安全状态（security state）。
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aarch32：32位执行状态。此状态下的操作与armv7-a兼容。有两个可用的指令集：t32和a32。标准寄存器宽度为32位。
aarch64：64位执行状态。有一个可用的指令集：a64。标准寄存器宽度为64位。
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安全状态：在此状态下，处理单元（processing element）可以访问安全的和非安全的物理地址空间。在这种状态下，pe可以访问安全和非安全系统寄存器。在这种状态下运行的软件只能响应安全中断。
非安全状态：在此状态下，pe只能访问非安全物理地址空间。pe也只能访问允许非安全访问的系统寄存器。在此状态下运行的软件只能响应非安全中断。
有了以上的概念，我们来看一下aarch64的虚拟化，如下图。图中安全状态的el2用灰色显示，是因为安全状态的el2并不总是可用。
图2
说起虚拟化，其实可以分为几大块：cpu虚拟化，内存虚拟化，io虚拟化，中断虚拟化。cpu虚拟化这里没太多好讲的，区分虚拟机（vm）和虚拟cpu(vcpu)就好，方便阅读文档。一个虚拟机里面可能包含一个或多个虚拟cpu。vm不等同于vcpu，比如，一个内存页面可以被分配一个vm，因此所有属于该vm的所有vcpu都可以访问它。而一个虚拟中断只是针对某个vcpu，因此只有该vcpu可以收到。在arm的文档里，关于处理器更为严谨的定义是处理单元（processing element，pe），因为cpu可能包含多个内核或线程，而pe用来指代单一的执行单元。
图3
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图4
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