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中断是计较机系统中相等病笃的部分，计较机基础表面竹素频频也会花上许多篇幅究诘中断，然而因为操作系统齐替斥地东说念主员处分好中断了，是以除非是系统工程师，不然一般斥地东说念主员对中断很难有一个很直不雅的意识，因此相识如何通过软件的面貌来模拟中断更是一个挑战。

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因此，在本章中，咱们毛糙先容硬件中断的基同意趣，然后衔尾中断的基同意趣究诘如何虚构化中断芯片。咱们从首先IBM PC为单核系统狡计的PIC(8259A)机制开动，究诘到为多核系统狡计的APIC，一直到绕开I/O APIC、从建造径直向LAPIC发送基于讯息的MSI机制。

中断芯片不错在用户空间中模拟，也不错在内核空间模拟，然而因为中断芯片需要密集地和Guest以及内核中的KVM模块交互，显着在内核空间模拟更合理，是以KVM在内核中兑现中断芯片的模拟。终末，咱们究诘了为了普及效果，Intel是如何从硬件层濒临虚构化中断进行因循的，以及KVM是如何使用他们的。

虚构中断

在接洽Guest款式的CPU处分中断前，咱们当先纪念一下物理CPU是如何反映中断的。当操作系统允许CPU反映中断后，每当实行完一条提醒后，CPU齐将搜检中断引脚是否灵验，一朝灵验，CPU将处分中断，然后再实行下一条提醒，如图3-1所示。

图1 CPU处分中断

当有中断需要CPU处分时，中断芯片将灵验贯串CPU的INTR引脚，也便是说若是INTR是高电平灵验，那么中断芯片拉高INTR引脚的电平。CPU在实行完一条提醒后，将搜检INTR引脚。一样的，虚构中断也效仿这种机制，虚构中断芯片认真将与CPU的INTR引脚连结的“引脚”灵验，然后在每次VM entry时，KVM将搜检虚构中端芯片的INTR“引脚”是否灵验。关于软件虚构的中断芯片而言，“引脚”只是一个变量。若是KVM发现虚构中断芯片有中断肯求，则向VMCS中VM-entry control部分的VM-entry interruption-informationfield字段注入中断信息，然后Guest款式下的CPU将实行Guest系统IDT中对应的中断处分处事，图3-2为单核系统使用PIC中断芯片下的虚构中断经过。

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图2 基于PIC的虚构中断经过澳门娱乐城

具体步履如下：

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1)虚构建造向虚构中断芯片PIC发送中断肯求，虚构PIC记载下虚构建造的中断信息。与物理的中断经过不同，此时并不会触发虚构PIC芯片的中断评估逻辑，而是在VM entry时进行。

2)若是虚构CPU处于就寝气象，则叫醒虚构CPU，即使虚构CPU对应的线程干涉物理CPU的就绪任务部队，随时不错准备获得运行契机。

3)当虚构CPU开动运行时，在其切入Guest前一刻，KVM模块将搜检虚构PIC芯片，检察是否有中断需要处分。此时，KVM将触发虚构PIC芯片的中断评估逻辑。

4)一朝虚构中断芯片计较出有需要Guest处分的中断，则将中断信息注入到VMCS中的字段VM-entry interruption-information。

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5)干涉Guest款式后，CPU将调用Guest IDT中相应的中断处事处分中断。

PIC只可因循单处分器系统，关于多处分器系统，需要APIC因循。关于虚构化而言，显着也需要虚构相应的APIC，然而其骨子上与PIC基本交流，如图3-3所示。

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图3 基于APIC的虚构中断经过澳门娱乐城

与单处分器情况比较，多处分器的虚构中断主要有2点不同：

1)在多处分器系统下，不同CPU之间需要收发中断，因此，每个CPU差别需要关联一个独处的中断芯片，这个中断芯片称为LAPIC。LAPIC不仅需要接受CPU之间核间中断IPI(Inter-Processor Interrupt)，还需要接受来自外设的中断。外设的中断引脚不可能贯串到每个LAPIC上，因此，有一个和洽的I/O APIC芯片认真贯串外设，若是一个I/O APIC引脚不够用，系统中不错使用多个I/O APIC。LAPIC和I/O APIC齐接到中断总线上，通过总线进行通讯。是以在虚构化场景下，需要虚构LAPIC和I/O APIC两个组件。

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2)在多处分器情况下，只是是叫醒可能在就寝的虚构CPU线程还不够，若是虚构CPU是在另外一颗物理CPU上运行于Guest款式，此时还需要向其发送IPI中断，使观念CPU从Guest款式退出到Host款式，然后下一次VM entry时，进行中断注入。

Guest款式的CPU和虚构中断芯片处于两个寰宇，是以处于Guest款式的CPU不行搜检虚构中断芯片的引脚，只可在VM entry时由KVM模块代为搜检，然后写入到VMCS。是以，一朝有中断需要注入，那么处于Guest款式的CPU一定需要VM exit，退出到Host款式，这是一个很大的支拨。

为了去除VM exit这个支拨，Intel在硬件层濒临中断虚构化进行了因循。LAPIC使用一个页面大小内存存储寄存器，咱们知说念，当Guest造访LAPIC这些寄存器时，将导致VM exit，然而事实上，某些造访LAPIC的这些寄存器，并不需要VMM介入，是以也就无需VM exit，是以Intel兑现了一个处于Guest款式的这么的一个页面，称之为virtual-APIC page。除次以外，Intel还在Guest款式下兑现了部分中断芯片的逻辑，比如中断评估，咱们将其称之为虚构中断逻辑，如图4所示。

在2024年欧洲杯半决赛中，法国队对阵葡萄牙队，比赛进行到第60分钟，法国队在一次反击中取得了领先，葡萄牙队急忙加强攻势。

图4 硬件虚构化因循下的中断虚构化经过

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Intel从硬件层濒临虚构化进行了因循，兑现了一个处于Guest款式的用于存储中断关连寄存器的virtual-APIC page。除次以外，Intel还在Guest款式下兑现了部分中断芯片的逻辑，用于中断评估和递交。

在此情况下，惟有LAPIC收到中断，其不必再恭候下一次VM entry时，被迫实行中断评估，而是主动向处于Guest款式的CPU奉告信息，这个位置便是posted-interrupt descriptor。若是指标CPU处于Guest款式，则通过一个绝顶的核间中断posted-interrupt notification呈文指标CPU，从而触发虚构的中断逻辑，其会在Guest款式下进行评估评估况且向虚构CPU递交中断，而无谓再通过VM exit/VM entry的面貌注入中断。

在硬件虚构化的因循下，在Guest款式下有了气象和逻辑，就不错模拟许多中断的活动，比如造访中断寄存器、追踪中断的气象以及向CPU递交中断等。因此，许多中断活动就无谓VMM介入了，从而大大的减少了VM exit的次数。虽然有些写中断寄存器的操作是具有反作用的，比如通过写icr寄存器发送IPI中断，这时就需要触发VM exit，由土产货LAPIC向指标LAPIC发送IPI中断。

王柏生 资深手艺大家，先后赴任于中科院软件所、红旗Linux和百度，现任百度主任架构师。在操作系统、虚构化手艺、漫步式系统、云计较、自动驾驶等关连范围栽植多年，有着丰富的实验教会。著有畅销书《深度探索Linux操作系统》(2013年出书)。

谢广军 计较机专科博士，毕业于南开大学计较机系。资深手艺大家，多年的IT行业责任教会。现担任百度智能云副总司理，认真云计较关连家具的研发。多年来一直从事操作系统、虚构化手艺、漫步式系统、大数据、云计较等关连范围的研发责任，实验教会丰富。

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