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qemu ept设置过程

news 来源：原创 2025/5/15 14:50:57

QEMU 设置 EPT（Extended Page Table）的过程解析

qemu_init
	configure_accelerators
	    do_configure_accelerator
	        accel_init_machine
	            kvm_init(init_machine)
	                kvm_memory_listener_register
	                    memory_listener_register
	                        listener_add_address_space
	                            hvf_region_add
	                                hvf_set_phys_mem
	                                    do_hvf_set_memory
	                                        hv_vm_map

x86_cpu_realizefn
    qemu_init_vcpu
        kvm_start_vcpu_thread  (create_vcpu_thread)
            kvm_vcpu_thread_fn
                kvm_cpu_exec
                    kvm_arch_handle_exit

main()                     // QEMU 入口函数
  qemu_init()              // 初始化虚拟机
    machine_run_board_init()      //pc_init_isa
      pc_init1()           // x86 机器初始化
        pc_cpus_init()     // 创建所有 CPU 对象
          x86_cpu_new()    // 实例化 X86CPU 对象
          	qdev_realize
          		device_set_realized()  // 标记设备为“已实现”
            		dc->realize()  // 调用 x86_cpu_realizefn

pc_init1
    pc_memory_init
        pc_system_firmware_init
            pc_system_flash_map
                kvm_memcrypt_encrypt_data
                    sev_encrypt_data  （kvm_state->memcrypt_encrypt_data）
                        sev_launch_update_data

在基于 Intel VT-x 的虚拟化环境中，EPT（扩展页表）负责将 客户机物理地址（GPA） 转换为 宿主机物理地址（HPA）。QEMU 与 Hypervisor（如 macOS 的 HVF 或 Linux 的 KVM）协作，通过以下步骤完成 EPT 的配置：

1. EPT 初始化

触发时机：虚拟机启动时，QEMU 与 Hypervisor 初始化虚拟化环境。
关键操作：
- 调用 Hypervisor 接口（如 HVF 的 hv_vm_create）创建虚拟机上下文。
- 分配并初始化 EPT 页表结构，通常由 Hypervisor 管理物理内存映射。

2. 内存区域映射

客户机内存注册：QEMU 将虚拟机的内存区域（RAM、ROM、MMIO 等）通过 Hypervisor 接口映射到宿主机物理内存。
```
// HVF 示例：将客户机物理地址范围映射到宿主机内存
hv_vm_map(host_phys_addr, guest_phys_addr, size, memory_flags);
```
- host_phys_addr：宿主机物理地址（HPA）。
- guest_phys_addr：客户机物理地址（GPA）。
- memory_flags：EPT 权限标志（如读/写/执行）。

3. 设置 EPT 权限

内存类型与权限：
- RAM 区域：默认设置为可读、可写（HV_MEMORY_READ | HV_MEMORY_WRITE）。
- MMIO 区域：标记为不可缓存（Uncacheable），权限可能限制为只读或无访问权限，以触发 EPT 违规并由 QEMU 模拟设备访问。
- ROM 区域：根据配置设置只读权限。
动态调整：
当虚拟机执行内存热插拔或动态调整内存保护（如写时复制）时，QEMU 通过 Hypervisor 更新 EPT 权限：
```
hv_vm_protect(guest_phys_addr, size, new_flags);
```

4. 处理 EPT 违规

EPT Violation 触发：
当虚拟机访问未映射或权限不足的 GPA 时，CPU 触发 EPT Violation，陷入 Hypervisor。
QEMU 的响应：
Hypervisor 将事件传递给 QEMU，调用类似 ept_emulation_fault 的函数（如用户此前提供的代码）判断是否需要软件模拟：
- MMIO 访问：返回 true，由 QEMU 设备模型模拟访问。
- 正常 RAM 访问：返回 false，Hypervisor 可能自动修复 EPT 映射（如因大页拆分或脏页跟踪）。

5. 脏页跟踪与内存迁移

写操作监控：
若内存区域标记为需要脏页跟踪（如 HVF_SLOT_LOG），QEMU 在 EPT 违规处理中调用 memory_region_set_dirty，记录被修改的页。
EPT 权限临时调整：
为捕获写操作，QEMU 可能暂时将 EPT 权限设为只读。当发生写操作触发 EPT Violation 时，标记脏页后恢复写权限。

关键代码路径（以 QEMU/HVF 为例）

内存初始化：
target/i386/hvf/hvf.c → hvf_set_phys_mem()：将 QEMU 内存区域映射到 HVF 的 GPA 空间。
EPT 映射：
target/i386/hvf/x86hvf.c → hv_vm_map()：调用 Hypervisor 接口设置 EPT 项。
EPT 违规处理：
target/i386/hvf/hvf.c → ept_emulation_fault()：判断是否需模拟访问。

流程图解

QEMU 启动虚拟机
  │
  ├── 初始化 Hypervisor (hv_vm_create)
  │
  ├── 注册客户机内存区域 (hv_vm_map)
  │   ├── RAM → R/W 权限
  │   ├── MMIO → 无权限或只读
  │   └── ROM → 只读
  │
  ├── 虚拟机运行
  │   │
  │   └── EPT Violation 触发
  │       ├── 读/写权限不足 → ept_emulation_fault() 判断
  │       │   ├── 需模拟 → QEMU 处理（如 MMIO）
  │       │   └── 无需模拟 → Hypervisor 修复 EPT
  │       └── 指令提取违规 → 拒绝处理
  │
  └── 动态调整（内存热插拔、权限变更）

技术挑战与优化

性能优化：
- 大页支持：尽量使用 2M/1G 大页减少 EPT 层级，降低 TLB 未命中率。
- EPT 缓存：Hypervisor 可能缓存 EPT 项以加速转换。
安全性：
- 隔离性：确保 EPT 映射严格隔离不同虚拟机的内存。
- 权限控制：防止客户机越权访问宿主机内存。