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QEMU中GPA到HVA变换过程

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发布于：Sep 26, 2021
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GPA 到 HVA的过程

QEMU通过GPA找到MemoryRegion从而完成到HVA的转换，而QEMU总是先从tlb中找tlbentry，再利用tlbentry找mr。GPA到HVA的问题就变为了，GPA找tlbentry的问题。

不是完整的状态机

  1. 指令经过qemu动态翻译后得到GPA地址字面值addr，qemu需要根据该地址找到对应的MR然后执行相应的读写操作
  2. GPA地址字面值在XXX_helper(如load_helper)中先查tlb，在利用查到的tlbentry索引出MemoryRegionSection(MR section)
    • 如果tlb没命中，则先tlb_fill() -> -> tlb_set_page_with_attrs()更新tlb。如果命中，则返回tlbentry(TODO：iotlbentry只是一种情况)用于下一阶段section的查找
    • 在tlb_set_page_with_attrs() -> address_space_translate_for_iotlb()中完成具体tlb更新操作。会执行phys_page_find()查找section，计算出section的地址更新tlb，之后再查tlb就有对应的entry索引section了
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      void tlb_set_page_with_attrs(CPUState *cpu, target_ulong vaddr,
      							 hwaddr paddr, MemTxAttrs attrs, int prot,
      							 int mmu_idx, target_ulong size)
      {
      	section = address_space_translate_for_iotlb(cpu, asidx, paddr_page,
      												&xlat, &sz, attrs, &prot);
      	if (is_ram) {
      		iotlb = memory_region_get_ram_addr(section->mr) + xlat;
      		...
      	} else {
      		iotlb = memory_region_section_get_iotlb(cpu, section) + xlat;
      		...
      	}

      	desc->iotlb[index].addr = iotlb - vaddr_page;
      	desc->iotlb[index].attrs = attrs;
      }
  3. 经过XXX_helper，得到tlbentry，真正的读写将通过tlbentry查找MR section从而找到MemoryRegion完成访存操作

查找MemoryReginoSection的过程，主要发生在查找tlb中，因为tlb命中后直接用命中的iotlbentry来索引整个线性空间查找section。如下面io_readx这个例子，直接用tlbentry来索引整个线性空间就找到了section(return &sections[index & ~TARGET_PAGE_MASK])

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static uint64_t io_readx(CPUArchState *env, CPUIOTLBEntry *iotlbentry,
                         int mmu_idx, target_ulong addr, uintptr_t retaddr,
                         MMUAccessType access_type, MemOp op)
{
    section = iotlb_to_section(cpu, iotlbentry->addr, iotlbentry->attrs);
	...
}

MemoryRegionSection *iotlb_to_section(CPUState *cpu,
                                      hwaddr index, MemTxAttrs attrs)
{
    int asidx = cpu_asidx_from_attrs(cpu, attrs);
    CPUAddressSpace *cpuas = &cpu->cpu_ases[asidx];
    AddressSpaceDispatch *d = qatomic_rcu_read(&cpuas->memory_dispatch);
    MemoryRegionSection *sections = d->map.sections;

    return &sections[index & ~TARGET_PAGE_MASK];
}

接下来将介绍究竟是如何找到MR section来填充tlb的。首先需要介绍几个结构:AddressSpaceDispatch, PhysPageEntry, PhysPageMap

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struct PhysPageEntry {
    /* How many bits skip to next level (in units of L2_SIZE). 0 for a leaf. */
    uint32_t skip : 6;
     /* index into phys_sections (!skip) or phys_map_nodes (skip) */
    uint32_t ptr : 26;
};

typedef PhysPageEntry Node[P_L2_SIZE];

typedef struct PhysPageMap {
    struct rcu_head rcu;

    unsigned sections_nb;
    unsigned sections_nb_alloc;
    unsigned nodes_nb;
    unsigned nodes_nb_alloc;
    Node *nodes;
    MemoryRegionSection *sections;
} PhysPageMap;

struct AddressSpaceDispatch {
    MemoryRegionSection *mru_section;
    /* This is a multi-level map on the physical address space.
     * The bottom level has pointers to MemoryRegionSections.
     */
    PhysPageEntry phys_map;
    PhysPageMap map;
};

qemu维护了一个类似多级页表的结构用于检索MR section。在上述结构中PhysPageEntry相当于页表项，PhysPageMap用于维护整个地址空间。

  • PhysPageMap

PhysPageMap中的nodes是用于检索的多级页表结构; sections表示被索引的整个地址空间，索引到section后(tlbentry)直接sections[index]获取section

  • AddressSpaceDispatch

AddressSpaceDispatch是一段地址空间的入口，mru_section是利用局部性原理的section缓存; phys_map是第一级表(nodes)的索引; map是内存映射结构的引用

整体关系大致如下图

基本结构了解后可以看看查找MR section的核心函数phys_page_find

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static MemoryRegionSection *phys_page_find(AddressSpaceDispatch *d, hwaddr addr)
{
    PhysPageEntry lp = d->phys_map, *p; 				// 获取第一级表的索引
    Node *nodes = d->map.nodes;
    MemoryRegionSection *sections = d->map.sections; 	// 整个线性空间
    hwaddr index = addr >> TARGET_PAGE_BITS;
    int i;

    for (i = P_L2_LEVELS; lp.skip && (i -= lp.skip) >= 0;) {
        if (lp.ptr == PHYS_MAP_NODE_NIL) {
            return &sections[PHYS_SECTION_UNASSIGNED];
        }
        p = nodes[lp.ptr];
        lp = p[(index >> (i * P_L2_BITS)) & (P_L2_SIZE - 1)]; 	// 一级一级查表
    }

    if (section_covers_addr(&sections[lp.ptr], addr)) {
        return &sections[lp.ptr]; 						// 利用最后一级表的值索引整个线性空间，返回section
    } else {
        return &sections[PHYS_SECTION_UNASSIGNED];
    }
}

因此，tlbentry就相当于记录了直接到sections的索引，加速了查表速度，获取到section后就可以section->mr获取到对应的MemoryRegion，从而完成访存操作

博客内容遵循 署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际 (CC BY-NC-SA 4.0) 协议

本文永久链接是：http://github.com/66ring/2021/09/26/universe/qemu/qemu_GPA_to_HVA/

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