IOMMU之Interrupt Remapping

1、原理介绍

使用iommu，可以改变虚拟机外设中断的投递方式。以msi中断为例，msi msg里不再需要填写相关的中断信息，而是转换成interrput index的方式。中断的管理信息（投递方式、目标cpu信息、vector信息）存放在一个叫irte的内存区域里，每个iommu最多可以有64k个irte，iommu通过interrupt index找到对应的irte，iommu的irte基址信息存放在iommu的IRTA（Interrupt Remapping Table Address）寄存器里。

中断请求的格式有两种（Compatibility Format和Remappable Format），如下所示，在Compatibility Format格式下，address需要包含中断的Destination ID信息，Data需要包含中断的delivery Mode、Trigger Mode等信息，并且bit 4的interrupt Format需要清0。

而在Remappable Format模式下，addess主要保存的是Handle信息，并且bit 4置1，data保存subhandle信息，iommu通过Handle及subhandle找到对应的irte。

    

Remappable Format时，不同的中断号可以共享同一个handle（最终对应同一个irte），比如同一个网卡设备的多个队列中断；也可设置每个中断使用独立的irte，这通过address的bit 3（SHV）位来标识（默认置1，使用共享模式）。iommu根据SHV以及handle值来查找interrupte_index。

if (address.SHV == 0) {
    interrupt_index = address.handle;
} else {
    interrupt_index = (address.handle + data.subhandle);
}

 

2、初始化过程

系统启动时，会根据设置的内核参数intel_iommu决定是否使用iommu，当设置了该参数后，会去解析相关的iommu信息。可以同时存在多个iommu硬件，每个iommu能管理的pci设备是固定的，iommu的相关信息bios会放在table里通知os，os通过读取table相关信息初始化iommu。

kernel_init
    kernel_init_freeable
        smp_prepare_cpus
            native_smp_prepare_cpus
                default_setup_apic_routing
                    enable_IR_x2apic
                        irq_remapping_prepare
                            intel_prepare_irq_remapping
                                dmar_table_init
                                    parse_dmar_table
                                        dmar_parse_one_drhd
                                            alloc_iommu
                                                map_iommu
                                                    dmar_register_drhd_unit（将dmar注册到到全局链表中dmar_drhd_units）

这里的流程主要是os启动时解析iommu的过程，包括bios提供的iommu table信息，映射iommu的io地址空间等。

static int map_iommu(struct intel_iommu *iommu, u64 phys_addr)
{
	int map_size, err=0;

	iommu->reg_phys = phys_addr;
	iommu->reg_size = VTD_PAGE_SIZE;

	if (!request_mem_region(iommu->reg_phys, iommu->reg_size, iommu->name)) {
		pr_err("Can't reserve memory\n");
		err = -EBUSY;
		goto out;
	}
        //映射iommu的io地址空间
	iommu->reg = ioremap(iommu->reg_phys, iommu->reg_size);
	if (!iommu->reg) {
		pr_err("Can't map the region\n");
		err = -ENOMEM;
		goto release;
	}
        //获取iommu的capility
	iommu->cap = dmar_readq(iommu->reg + DMAR_CAP_REG);
	iommu->ecap = dmar_readq(iommu->reg + DMAR_ECAP_REG);
}

   接下来主要是iommu的remapping初始化，第一步先分配好irte空间，并将地址信息设置到IRTA寄存器。

static int intel_setup_irq_remapping(struct intel_iommu *iommu)
{
	ir_table = kzalloc(sizeof(struct ir_table), GFP_KERNEL);
	if (!ir_table)
		return -ENOMEM;

	pages = alloc_pages_node(iommu->node, GFP_KERNEL | __GFP_ZERO,
				 INTR_REMAP_PAGE_ORDER);

	bitmap = kcalloc(BITS_TO_LONGS(INTR_REMAP_TABLE_ENTRIES),
			 sizeof(long), GFP_ATOMIC);
	if (bitmap == NULL) {
		pr_err("IR%d: failed to allocate bitmap\n", iommu->seq_id);
		goto out_free_pages;
	}
        //设置iommu的irte地址信息
	ir_table->base = page_address(pages);
	ir_table->bitmap = bitmap;
	iommu->ir_table = ir_table;

	iommu_set_irq_remapping(iommu, eim_mode);

	return 0;
}

static void iommu_set_irq_remapping(struct intel_iommu *iommu, int mode)
{
	addr = virt_to_phys((void *)iommu->ir_table->base);
        //将irte地址信息通知给硬件
	dmar_writeq(iommu->reg + DMAR_IRTA_REG,
		    (addr) | IR_X2APIC_MODE(mode) | INTR_REMAP_TABLE_REG_SIZE);

	/* Set interrupt-remapping table pointer */
	writel(iommu->gcmd | DMA_GCMD_SIRTP, iommu->reg + DMAR_GCMD_REG);
}

然后是使能iommu的remapping模式：
ry_to_enable_IR
    irq_remapping_enable    
        intel_enable_irq_remapping
            iommu_enable_irq_remapping

	/* Enable interrupt-remapping */
	iommu->gcmd |= DMA_GCMD_IRE;
	iommu->gcmd &= ~DMA_GCMD_CFI;  /* Block compatibility-format MSIs */
	writel(iommu->gcmd, iommu->reg + DMAR_GCMD_REG);

开启iommu的remapping模式后，还会进一步检查iommu是有有interrupt post能力，如果有，则将intel_irq_remap_ops.capabiliy或上IRQ_POSTING_CAP，后续vcpu启动时会检查该标志。

static inline void set_irq_posting_cap(void)
{
	struct dmar_drhd_unit *drhd;
	struct intel_iommu *iommu;

         //以下几个条件同时成立时，会将intel_irq_remap_ops.capability与上IRQ_POSTING_CAP标志
         //位，后续vcpu创建的时候会关注该标志位
         //1）disable_irq_post变量没有置1；
         //2）CPU支持CMPXCHG16B原子指令（一般支持）；
         //3）iommu的cap具有post能力。

	if (!disable_irq_post) {
		/*
		 * If IRTE is in posted format, the 'pda' field goes across the
		 * 64-bit boundary, we need use cmpxchg16b to atomically update
		 * it. We only expose posted-interrupt when X86_FEATURE_CX16
		 * is supported. Actually, hardware platforms supporting PI
		 * should have X86_FEATURE_CX16 support, this has been confirmed
		 * with Intel hardware guys.
		 */
		if ( cpu_has_cx16 )
			intel_irq_remap_ops.capability |= 1 << IRQ_POSTING_CAP;

		for_each_iommu(iommu, drhd)
			if (!cap_pi_support(iommu->cap)) {
				intel_irq_remap_ops.capability &=
						~(1 << IRQ_POSTING_CAP);
				break;
			}
	}
}

最后重新安装irq remapping的操作函数：

static void __init irq_remapping_modify_x86_ops(void)
{
	x86_io_apic_ops.disable		= irq_remapping_disable_io_apic;
	x86_io_apic_ops.set_affinity	= set_remapped_irq_affinity;
	x86_io_apic_ops.setup_entry	= setup_ioapic_remapped_entry;
	x86_io_apic_ops.eoi_ioapic_pin	= eoi_ioapic_pin_remapped;
	x86_msi.setup_msi_irqs		= irq_remapping_setup_msi_irqs;
	x86_msi.setup_hpet_msi		= setup_hpet_msi_remapped;
	x86_msi.compose_msi_msg		= compose_remapped_msi_msg;
}

3、Guest虚拟机启动后，会为直通设备申请msi中断，然后enable_msi，这个过程被Qemu捕获，Qemu通过ioctl，通知vfio-pci模式设置enable。

vfio_pci_ioctl
    vfio_pci_set_irqs_ioctl
        vfio_pci_set_msi_trigger
            vfio_msi_enable
                pci_enable_msix_range
                    pci_enable_msix
                        msix_capability_init
                            msix_setup_entries

static int msix_setup_entries(struct pci_dev *dev, void __iomem *base,
			      struct msix_entry *entries, int nvec)
{
	struct msi_desc *entry;
	int i;

	for (i = 0; i < nvec; i++) {
		entry = alloc_msi_entry(dev);
		if (!entry) {
			if (!i)
				iounmap(base);
			else
				free_msi_irqs(dev);
			/* No enough memory. Don't try again */
			return -ENOMEM;
		}

		entry->msi_attrib.is_msix	= 1;
		entry->msi_attrib.is_64		= 1;
		entry->msi_attrib.entry_nr	= entries[i].entry;
		entry->msi_attrib.default_irq	= dev->irq;
                //设置entry的io地址信息，base为msix_map_region(dev, msix_table_size(control))
                //映射到的msix io地址空间，后续需要使用该地址mask、unmask riq，以及设置msi的msg
                //地址信息等
		entry->mask_base		= base;
		entry->nvec_used		= 1;
                //将所有的entry都存放到msi_list里
		list_add_tail(&entry->list, &dev->msi_list);
	}

	return 0;
}

再接下来主要是setup每个entry

arch_setup_msi_irqs
    irq_remapping_setup_msi_irqs
        do_setup_msix_irqs（遍历mst_list链表，为每个msi_entry设置中断信息）、

1）、如果是第一个msi_entry：
                 msi_alloc_remapped_irq
                     intel_msi_alloc_irq
                         alloc_irte（从iommu->ir_table分配一个可用的irte表索引号）

static int alloc_irte(struct intel_iommu *iommu, int irq, u16 count)
{
        //从bitmap里获取一个可用的irte index
	index = bitmap_find_free_region(table->bitmap,
					INTR_REMAP_TABLE_ENTRIES, mask);
	if (index < 0) {
		pr_warn("IR%d: can't allocate an IRTE\n", iommu->seq_id);
	} else {
		cfg->remapped = 1;
		irq_iommu->iommu = iommu;
		//设置irte index
		irq_iommu->irte_index =  index;
		//第一个中断信息sub_handle为0
		irq_iommu->sub_handle = 0;
		irq_iommu->irte_mask = mask;
		irq_iommu->mode = IRQ_REMAPPING;
	}
	return index;
}

分配完irte后，就需要去设置irte信息：

setup_msi_irq
    msi_compose_msg
        intel_compose_msi_msg

static void intel_compose_msi_msg(struct pci_dev *pdev,
				  unsigned int irq, unsigned int dest,
				  struct msi_msg *msg, u8 hpet_id)
{
	cfg = irq_get_chip_data(irq);
        //获取sub_handle及irte index信息
	ir_index = map_irq_to_irte_handle(irq, &sub_handle);
	BUG_ON(ir_index == -1);
        //获取irte
	irte = get_irte(irq_2_iommu(irq));
	//设置irte的trigger_mode、vector、及irq的dest信息
	prepare_irte(irte, cfg->vector, dest);

	/* Set source-id of interrupt request */
	//根据pci信息设置irte的source-id
	if (pdev)
		set_msi_sid(irte, pdev);
	else
		set_hpet_sid(irte, hpet_id);

	modify_irte(irq, irte);
        //设置irte的address及data信息
	msg->address_hi = MSI_ADDR_BASE_HI;
	msg->data = sub_handle;
        //设置irte为共享模式，多个中断可以共用一个irte
	msg->address_lo = MSI_ADDR_BASE_LO | MSI_ADDR_IR_EXT_INT |
			  MSI_ADDR_IR_SHV |
			  MSI_ADDR_IR_INDEX1(ir_index) |
			  MSI_ADDR_IR_INDEX2(ir_index);
}

2）、如果非第1个msi_entry，则不重新分配irte，而是与第一个共享同一个irte，因此这里的流程主要是使用第一个msi_entry分配的irte，并修改其中的subhandle信息，然后通知给硬件。

4、Remapping模式下，iommu会将发往Guest的中断先转发给宿主机，因此需要在宿主机安装中断处理函数。

vfio_msi_set_block
    vfio_msi_set_vector_signal
        request_irq（为irq分配action处理函数vfio_msihandler）

vfio_msihandler主要功能就是通过eventfd的方式通知kvm，kvm进一步将中断信息注入到Guest。

/*
 * MSI/MSI-X
 */
static irqreturn_t vfio_msihandler(int irq, void *arg)
{
	struct eventfd_ctx *trigger = arg;

	eventfd_signal(trigger, 1);
	return IRQ_HANDLED;
}