虚拟化技术指南

先建立系统心智模型

AxVisor 是运行在最高控制层的 Hypervisor。它不直接“运行 Linux 程序”，而是创建并运行 Linux 客体；Linux 完成自己的内核启动后，再由用户态 init 启动 App A、App B。RTOS 则作为另一个客体，拥有独立入口、内存、定时器和任务调度器。

必须区分的四个对象

ARM 虚拟化基础：为什么需要 EL2

AArch64 使用异常级控制权限。普通应用通常运行在 EL0，客体操作系统运行在 EL1，Hypervisor 运行在 EL2。EL2 配置哪些 EL1 操作可以直接执行、哪些操作必须陷入 Hypervisor。

关键 EL2 寄存器

从上电到两个客体运行

1. 01
   固件交接

   CPU 从复位入口执行。固件准备内存和启动参数，将主核置于合适异常级，再跳转到 AxVisor 镜像入口。

2. 02
   早期运行环境

   入口汇编建立栈、清零 BSS、保存启动参数；随后初始化页表、MMU、堆、串口和 per-CPU 数据。

3. 03
   解析 VM 配置

   读取客体类型、CPU、内存、镜像地址、入口、DTB、设备和中断分配。

4. 04
   装载客体镜像

   把 Linux Image、initramfs、DTB 或 RTOS 镜像复制/映射到约定的 Guest Physical Address。

5. 05
   建立 Stage-2

   为每个 VM 建立 IPA→PA 映射，并设置读写执行与设备内存属性。

6. 06
   构造 vCPU

   设置客体入口 PC、PSTATE、通用寄存器、虚拟定时器和虚拟中断状态。Linux arm64 通常通过 x0 接收 DTB 地址。

7. 07
   首次进入客体

   写入当前 VM 的 VTTBR_EL2，恢复 vCPU 上下文并通过异常返回进入 EL1。

8. 08
   Exit 与恢复

   客体陷入 EL2 后，读取 ESR_EL2 分类处理，必要时模拟设备并推进 PC，然后恢复客体。

9. 09
   客体内部启动

   Linux 挂载根文件系统并执行 init；RTOS 初始化时钟、中断和调度器。最终用户程序和实时任务开始运行。

// 概念性伪代码：真实接口以当前 AxVisor 源码为准
hypervisor_main() {
    init_memory_and_percpu();
    init_interrupt_controller();

    for cfg in vm_configs {
        vm = create_vm(cfg);
        load_guest_images(vm, cfg);
        build_stage2_page_table(vm);
        setup_vcpus(vm);
        register_vm(vm);
    }

    schedule_first_vcpu();
}

Stage-2：虚拟机隔离的核心

客体内部仍然可以使用自己的 Stage-1 页表，把虚拟地址 VA 转换为中间物理地址 IPA。硬件随后使用 Hypervisor 建立的 Stage-2 页表，把 IPA 转换为真实物理地址 PA。

建立映射时检查四件事

• 范围：IPA 起点、PA 起点和长度必须按页对齐，且不同 VM 的 PA 区域不可重叠。
• 权限：代码段通常可读可执行，数据段可读写；不应把所有区域长期映射成 RWX。
• 内存类型：普通 RAM 与 UART/GIC 等 Device Memory 必须使用正确属性，否则可能出现乱序或缓存问题。
• TLB：修改活动映射后，需要按架构要求执行屏障与 TLB invalidation。

// 教学用映射示意，不代表 AxVisor 的真实 API
map_guest(vm_linux,
    ipa = 0x4000_0000,
    pa  = 0x9000_0000,
    len = 512 * MiB,
    attr = NORMAL | READ | WRITE | EXEC);

map_guest(vm_rtos,
    ipa = 0x4000_0000,
    pa  = 0xB000_0000,
    len = 64 * MiB,
    attr = NORMAL | READ | WRITE | EXEC);

vCPU 上下文与 VM Exit 循环

vCPU 不只是一个线程对象，而是一份“能够恢复客体处理器状态”的完整快照。最少包含通用寄存器、PC/PSTATE、必要的 EL1 系统寄存器、虚拟定时器，以及与虚拟中断控制器相关的状态。

loop {
    install_vm_stage2(vcpu.vm);
    restore_guest_context(vcpu);
    enter_guest();              // ERET

    save_guest_context(vcpu);   // 从 EL1 陷入 EL2 后继续
    syndrome = read(ESR_EL2);

    match decode(syndrome) {
        MMIO       => emulate_or_forward_device(vcpu),
        SYSREG     => emulate_system_register(vcpu),
        HVC        => handle_hypercall(vcpu),
        STAGE2     => handle_or_report_page_fault(vcpu),
        other      => inject_or_stop_guest(vcpu, other),
    }
}

调试时应同时记录：VM ID、vCPU ID、ESR_EL2、ELR_EL2、FAR_EL2、HPFAR_EL2 和本次处理结果。只打印“guest fault”通常不足以定位问题。

中断和设备为什么最容易卡住

客体需要看到“虚拟硬件”。设备可以完全模拟、半虚拟化、直通或静态分区。学习阶段建议先从串口和虚拟定时器入手，因为日志与调度都依赖它们。

虚拟定时器中断路径

物理/虚拟计时器到期 → EL2/GIC 获得事件 → 标记目标 vCPU 的 pending vIRQ → vCPU 运行时注入 → 客体 EL1 中断处理 → 调度器 tick

如果 RTOS 已输出启动日志但任务不切换，优先检查计时器频率、比较值、虚拟 IRQ 号、GIC 使能位以及中断是否注入到正确 vCPU。

ArceOS：组件化内核如何支撑 Hypervisor

ArceOS 采用组件化设计：应用或上层系统按 feature 组合所需能力，而不是固定包含所有内核服务。AxVisor 可以复用其中的平台抽象、运行时、内存、任务与驱动能力，把精力集中在虚拟机管理上。

推荐源码阅读方法

1. 从运行命令确定目标架构、平台与启用 feature。
2. 找到链接脚本和入口符号，确认镜像装载地址。
3. 追踪“第一条串口日志”之前的调用路径。
4. 为内存、驱动、调度器初始化分别增加一对 begin/end 日志。
5. 最后才深入单个组件内部算法，避免一开始陷入细节。

AxVisor：从配置到 vCPU 运行

理解 AxVisor 时，不要只按目录浏览。沿一台 VM 的生命周期追踪：配置解析 → VM 对象 → 内存区域 → 镜像装载 → vCPU 创建 → 架构上下文 → 首次运行 → Exit 分发。

建议建立的源码索引

• 系统入口：AxVisor 主入口、主核/次级核初始化、启动第一个 VM 的位置。
• VM 管理：VM ID 分配、配置结构、内存 region、设备与 vCPU 集合。
• 架构层：EL2 初始化、Stage-2 页表、vCPU 寄存器上下文和异常向量。
• 运行循环：进入客体、保存现场、异常解码与处理分发。
• 设备与 IRQ：MMIO 区域注册、虚拟 IRQ 注入、直通设备归属。

第一次改代码应做什么

不要先实现新设备。先为 VM 创建和 Exit 路径增加结构化日志，例如：

[vm-create] vm=0 ipa=0x40000000 pa=0x90000000 size=512M
[vcpu-enter] vm=0 cpu=0 pc=0x40200000 vttbr=...
[vm-exit] vm=0 cpu=0 ec=0x24 elr=... far=... hpfar=...
[vcpu-resume] vm=0 cpu=0 next_pc=...

当你能解释这些日志，就已经建立了后续调试 Linux、RTOS 和设备的骨架。

Linux 与 RTOS 客体的启动差异

Linux 必须对齐的启动契约

• 内核镜像装载地址、入口 PC 与 DTB 地址必须落在有效 IPA 映射中。
• DTB 的 memory、CPU、chosen、timer、interrupt-controller、UART 节点必须与虚拟硬件一致。
• 命令行优先开启合适的 earlycon 与 console=，否则“无输出”不等于内核没运行。
• initramfs 中必须存在可执行的 /init，并包含程序依赖的动态库；学习阶段优先使用静态链接程序。

#!/bin/sh
# initramfs 中的 /init 概念示例
mount -t proc proc /proc
mount -t sysfs sysfs /sys

/bin/app-a &
/bin/app-b &

echo "[PASS] linux apps started"
exec /bin/sh

RTOS 移植检查表

• 链接地址与 AxVisor 配置的 guest load/entry 地址一致。
• 串口基址、中断号、计时器频率与 DTB/板级配置一致。
• 异常向量和栈位于已映射、可写且不与镜像重叠的区域。
• 如果使用 SMP，先完成单核启动，再逐步加入次级核。

多客体资源规划与隔离

混合关键系统首先追求“资源边界清晰”，再考虑动态共享。学习阶段建议使用静态 CPU 和内存分区。

最终故障实验：让 Linux 客体主动 panic 或访问未映射 IPA，AxVisor 应捕获并停止/重启该 VM；RTOS 的周期任务应继续输出。反向也要测试一次。

分层调试：只追踪最后一个成功边界

建议的 GDB 观察点

# 符号名需按当前版本替换
b <hypervisor_entry>
b <vm_create>
b <vcpu_first_run>
b <lower_el_sync_handler>

info registers pc sp
p/x $CurrentEL
x/8i $pc
bt

每次只改变一个变量，并保存：启动命令、commit、配置文件、完整串口日志和期望/实际结果。这样才能区分代码问题、配置问题和镜像问题。

六个必须完成的编码实验