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I/O 请求处理

用户虚拟机（User VM）的 I/O 请求由虚拟机监控器构建，然后由 ACRN 虚拟机监控器服务模块分发给与 I/O 请求的地址范围对应的 I/O 客户端。I/O 请求处理的详细信息在以下章节中描述。

1. I/O 请求

对于每个用户虚拟机，都有一个共享的 4KB 内存区域，用于虚拟机监控器和服务虚拟机（Service VM）之间的 I/O 请求通信。I/O 请求是一个 256 字节的结构缓冲区，即 “struct acrn_io_request”，当用户虚拟机中发生捕获的 I/O 访问时，该缓冲区由虚拟机监控器的 I/O 处理程序填充。服务虚拟机中的 ACRN 用户空间首先分配一个 4KB 页面，并将缓冲区的 GPA（客户物理地址）传递给虚拟机监控器。该缓冲区用作 16 个 I/O 请求槽的数组，每个 I/O 请求槽为 256 字节。此数组由 vCPU ID 索引。

2. I/O 客户端

I/O 客户端负责处理用户虚拟机的 I/O 请求，这些请求访问的 GPA 落在某个范围内。多个 I/O 客户端可以与每个用户虚拟机关联。每个用户虚拟机都有一个特殊的客户端，称为默认客户端，它处理所有不属于任何其他客户端范围的 I/O 请求。ACRN 用户空间充当每个用户虚拟机的默认客户端。

下图显示了 I/O 请求共享缓冲区、I/O 请求和 I/O 客户端之间的关系。

+------------------------------------------------------+
|                                       Service VM     |
|+--------------------------------------------------+  |
||      +----------------------------------------+  |  |
||      | shared page            ACRN userspace  |  |  |
||      |    +-----------------+  +------------+ |  |  |
||   +----+->| acrn_io_request |<-+  default   | |  |  |
||   |  | |  +-----------------+  | I/O client | |  |  |
||   |  | |  |       ...       |  +------------+ |  |  |
||   |  | |  +-----------------+                 |  |  |
||   |  +-|--------------------------------------+  |  |
||---|----|-----------------------------------------|  |
||   |    |                             kernel      |  |
||   |    |            +----------------------+     |  |
||   |    |            | +-------------+  HSM |     |  |
||   |    +--------------+             |      |     |  |
||   |                 | | I/O clients |      |     |  |
||   |                 | |             |      |     |  |
||   |                 | +-------------+      |     |  |
||   |                 +----------------------+     |  |
|+---|----------------------------------------------+  |
+----|-------------------------------------------------+
     |
+----|-------------------------------------------------+
|  +-+-----------+                                     |
|  | I/O handler |              ACRN Hypervisor        |
|  +-------------+                                     |
+------------------------------------------------------+

3. I/O 请求状态转换

ACRN I/O 请求的状态转换如下所示。

FREE -> PENDING -> PROCESSING -> COMPLETE -> FREE -> ...

  • FREE: 此 I/O 请求槽为空

  • PENDING: 此槽中有一个有效的 I/O 请求正在等待

  • PROCESSING: 正在处理 I/O 请求

  • COMPLETE: I/O 请求已处理完毕

处于 COMPLETE 或 FREE 状态的 I/O 请求归虚拟机监控器所有。HSM 和 ACRN 用户空间负责处理其他状态。

4. I/O 请求的处理流程

  1. 当用户虚拟机中发生捕获的 I/O 访问时，虚拟机监控器的 I/O 处理程序将填充一个处于 PENDING 状态的 I/O 请求。

  2. 虚拟机监控器向服务虚拟机发出一个上调 (upcall)，这是一个通知中断。

  3. 上调处理程序调度一个工作线程来分发 I/O 请求。

  4. 工作线程查找处于 PENDING 状态的 I/O 请求，根据 I/O 访问的地址将其分配给不同的已注册客户端，将其状态更新为 PROCESSING，并通知相应的客户端进行处理。

  5. 被通知的客户端处理分配的 I/O 请求。

  6. HSM 将 I/O 请求的状态更新为 COMPLETE，并通过超调用通知虚拟机监控器完成。