BitVisorの外部割り込み処理

BitVisorの外部割り込み処理について簡単に説明します．アーキテクチャはIntelが対象です．

基本

ゲスト実行中に割り込みでVMEXITが発生するかどうかは設定によります．VTではVM-Execution Control FieldsのPin-Based VM-Execution Controls内のexternal-interrupt exitingが1だと外部割り込み時にVMEXITします (exit reason は External Interrupt)．そうでなければ，割り込みはそのままゲストに通知されることになり，RFLAGS.IF=1ならゲストの割り込みハンドラが処理します．BitmapでVMEXITする番号が指定できるMSRとは異なり，特定の割り込み番号だけVMEXITさせることはできません¹．

外部割り込みでVMEXITしたときの割り込みの扱いは以下のようになります．

• VM-Exit controlsのAcknowledge interrupt on exitが1のとき
  • HWが割り込みコントローラにackしてくれます．割り込み番号はVM-exit interruption-information fieldに格納されます．
• そうでないとき
  • 割り込みはRFLAGS.IFでマスクされた状態です．この状態でホストが割り込みを有効化すると割り込みが入り，ホストの割り込みハンドラが起動します．

一般に外部割り込みはVMに向けたものとは限らないので，ホスト側の割り込みハンドラで処理するためにacknowledge interrupt on exitは0にすることが多いようです．

BitVisorの処理

まず，BitVisorは割り込み禁止状態で動作しています（なお，VMEXITするとRFLAGS.IFはクリアされます）．またBitVisorではデフォルトでexternal-interrupt exitingが1, acknowlege interrupt on exitが0です．defconfigでno_intr_intercept = 1にするとexternal-interrupt exitingが0になります．

External InterruptでVMEXITすると，do_external_int ()を実行しますがここではvt_exint_assert (true)を呼んで外部割り込みがあったとマークするだけです．実際の対応はメインループからvt_interrupt() => vt_inject_interrupt()で実行します．ここで num = current->exint.ack ()によって一時的に割り込みを有効化して割り込みを受け取り，割り込み番号を取得します．そしてvt_generate_external_int (num)で割り込みをゲストに再挿入します．どうせ再挿入するならexternal-interrupt exitingする意味がないように見えますが，いくつかのケースでexternal-interrupt exitingが有用な場合があります．

一つは，定期的にVMEXITを起こしたい場合です．BitVisorは基本パススルーしているため，設定次第ではほとんどVMEXITしなくなります．パフォーマンス的にはそれで良いのですが，BitVisor内部でデバイスを占有して利用している場合や，lwipサーバを実行している場合は，それらの処理はBitVisorのスレッドで実行しているため，VMEXITしないとそれらの処理が一切進まなくなります．外部割り込みでVMEXITさせることにより，BitVisorのスレッドがスケジュールされやすくなります．

また，次で説明する割り込み番号変換にも利用されています．

割り込み対応処理の詳細

current->exint.ack ()の処理の実体はcore/extint_pass.c:exint_pass_ack()であり，以下のように処理されます．

• core/int.c:do_externalint_enable() => core/int.c:callfunc_and_getint() => core/int_handler.s:int_callfunc()
• この関数内で，gs:gs_inthandling=1にして一瞬だけ割り込みを有効化 (sti; nop; cli)
• すると，それまでマスクされてた割り込みが入る
• 割り込みハンドラ (core/int_handler.s:int_handler)でgs:gs_inthandlingの値をチェックして，その値が1であれば割り込み番号をgs:gs_inthandlingに入れてリターン
  • (そうでなければ（ようするにBitVisor実行中に発生した例外であれば）panic)
• 割り込みハンドラから戻ってきたら，gs:gs_inthandlingに格納された割り込み番号をチェックして，対応したコールバック関数を実施し，その戻り値を返す．

exint_pass_intr_alloc()やexint_pass_intr_register_callback()で特定の割り込みに対してコールバック関数が登録できます．

virtio-netのデバイスドライバは，MSIで割り込みを受けてそれをMSI-Xで通知するということをしていますが，ここの割り込み変換にこのコールバック関数を利用しています．この処理については以前書きました．

• BitVisorのvirtio-netドライバの解説

また，（割り込み番号変換ではないようですが）NVMeやxHCIのドライバも何かコールバック関数を登録して処理しています．したがってこれらのデバイスドライバを利用する場合はdefconfigでno_intr_intercept=0を設定する必要があります．

参考文献

• Intel SDM
  • 33.2 INTERRUPT HANDLING IN VMX OPERATION
  • 33.3 EXTERNAL INTERRUPT VIRTUALIZATION

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1. VT-dのPosted Interruptsを利用すると，external-interrupt exitingが1でも特定の割り込みをVMX non-rootのゲストに直接挿入できるみたいです． ↩