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前文介绍了QEMU x86架构下经典的机器类型pc-i440fx-piix：

QEMU X86架构机器类型之pc-i440fx-piix

这是QEMU在早期唯一支持的架构，诞生于1996年。i440FX是Intel的一个芯片组，PIIX是其南桥芯片。这种架构在很长一段时间内一直是QEMU的主要选择。

但是随着硬件技术的不断发展，i440FX + PIIX架构逐渐显得落伍。这些年来，Intel不断推出新的芯片组，带来了许多现代技术，例如PCI Express（PCIe）和高级主机控制器接口（AHCI）等，而老旧的i440FX架构无法充分支持这些新技术，难以满足现代计算需求。

在2012年的KVM论坛（KVM Forum 2012）上，Jason Baron介绍了一种新的芯片组——Q35，他在主题演讲《A New Chipset For Qemu - Intel's Q35》中详细介绍了Q35芯片组的特性和优势，并且展示了其在虚拟化中的应用潜力。

本文将重点介绍QEMU x86架构下新的机器类型——pc-q35。

1 Q35介绍

1.1 Q35-only特性

以下是一些Q35特有的特性：

1. PCIe相关功能:

• 扩展配置空间 (MMCFG)：内存映射配置空间（MMCFG）允许扩展PCIe配置空间，超出标准的256字节。

• PCIe原生热插拔：支持PCIe设备的热插拔，允许在不重启系统的情况下动态连接和断开设备。

• AER（Advanced Error Reporting）：高级错误报告，提供详细的PCIe设备错误报告，提升系统的可靠性和故障排除能力。

• ARI (Alternative Routing-ID Interpretation)：允许单个PCIe设备内的多个功能更高效地进行寻址。

• 原生电源管理：支持PCIe原生的高级电源管理功能，有助于减少能耗。

• FLR（Function Level Reset）：功能级别重置，允许对单个PCIe功能进行复位，而不影响同一设备内的其他功能。

• ATS（Address Translation Services）：地址翻译服务，促进PCIe设备与系统内存之间的地址翻译，提升需要直接内存访问（DMA）设备的性能。

2. AHCI存储控制器：支持高级主控接口（AHCI），提升SATA性能和功能。
3. vIOMMU模拟：虚拟I/O内存管理单元（vIOMMU）的模拟，增强虚拟化支持，同时这也是虚拟机规格突破256个vCPU限制的关键特性。
4. 安全启动：确保在启动过程中仅加载经过验证的软件，增强系统安全性。

1.2 Q35的局限

Q35架构存在以下的功能限制或者不兼容性：

1. 不支持旧版操作系统，如Windows XP和Windows 2000。
2. 对旧版QEMU设备的支持有限。
3. 有限的I/O空间，这可能会影响到单个Q35机器能够使用的设备数量。

对于第3点，这里作一下解释。

在Q35架构中，为了连接多个PCI设备，通常会使用PCI桥（PCI Bridge）。每个PCI桥可以连接多个PCI设备，相当于一个扩展槽。

每个PCI桥本身需要分配一个4K（4096字节）的I/O地址空间，用于管理其下连接的设备。这意味着每增加一个PCI桥，就需要额外的4K I/O地址空间。

由于I/O地址空间是有限的，因此在Q35架构下，随着PCI桥和连接设备数量的增加，可用的I/O空间可能会很快被耗尽。这会限制单个Q35机器能够使用的设备数量。如果没有足够的I/O地址空间，新的设备将无法正确配置和使用。

为了克服这个限制，可以采取以下措施：

1. 仅将PCIe设备插入PCIe端口：优先使用PCIe设备，因为PCIe设备通常不需要像传统PCI设备那样占用大量I/O地址空间。
2. 使用更小/非标准的I/O窗口：为PCI桥配置更小或非标准的I/O窗口，尽可能节省I/O地址空间。
3. 优化设备配置：通过合理规划和配置设备，尽量减少对I/O地址空间的占用。

1.3 Q35应用场景

Q35芯片组在实践中表现出了强大的功能和灵活性，尤其是在虚拟化、安全启动和高性能网络虚拟化方面。

1.3.1 P2V（物理机迁移到虚拟机）

P2V（Physical to Virtual）迁移是将将物理机上的操作系统、应用程序和数据迁移到虚拟机中的过程。

P2V能够降低硬件成本，通过将多个物理服务器整合到少量的虚拟机服务器上，减少硬件采购和维护成本，同时允许更灵活和高效的资源分配，提高服务器资源的利用率，并且虚拟机集中管理和备份恢复也更加便捷。

1.3.2 Secure Boot（安全启动）+ OVMF

Secure Boot用于确保在启动过程中只运行可信的软件，防止恶意代码的注入。

OVMF（Open Virtual Machine Firmware）是基于UEFI的固件，为虚拟机提供支持。

通过Secure Boo + OVMF配置能够防止未经授权的软件和固件在系统启动过程中运行，保护系统完整性。另外，基于UEFI的虚拟机能提高与现代操作系统的兼容性。

1.3.3 vIOMMU用于NFV

将vIOMMU应用到网络功能虚拟化（NFV）中，通过硬件辅助虚拟化提高网络性能和灵活性。

2 Q35拓扑结构

Q35芯片组划分为**==北桥内存控制器hub（MCH，Memory Controller Hub）==和==南桥I/O控制器hub（ICH，I/O Controller Hub）==**两部分。CPU 通过前端总线(FSB)连接到北桥(MCH)，MCH链接内存，显卡， 高速PCIe接口等，南桥芯片则为USB，低速PCIe / SATA 等提供接入。

下面是两张经典的Q35拓扑结构图：

2.1 MCH（北桥芯片）

**Q35 MCH（Memory Controller Hub）**是整个架构的核心，主要负责连接CPU、内存和显卡。

具体功能包括：

1. 前端总线（FSB）连接：
   • CPU通过前端总线（FSB）连接到MCH，支持高达1333 MHz的FSB速度。
2. 内存控制器：
   • 支持DDR2内存，最大内存容量为8GB，支持双通道内存配置，从而提高内存带宽和性能。
3. 图形接口：
   • 集成GMA 3100图形核心，支持基础的3D图形加速和高清视频播放。
   • 提供PCI Express x16插槽，用于外接独立显卡。
4. 高速PCIe接口：
   • 提供多条PCIe通道，包括一个PCIe x16通道用于显卡，另有PCIe x1通道用于其他高速扩展卡。

2.2 ICH（南桥芯片）

**ICH（I/O Controller Hub）**负责处理所有的输入/输出操作，包括存储、网络和外围设备接口。

具体功能包括：

1. 存储接口：
   • 提供6个SATA 3Gb/s接口，用于连接硬盘和光驱。
   • 提供一个并行ATA接口，支持两个PATA设备。
2. USB接口：
   • 支持多达12个USB 2.0接口，用于连接各种USB外设，如鼠标、键盘、打印机等。
3. 低速PCIe接口：
   • 提供额外的PCIe x1通道，用于低速外设的连接。
4. 网络接口：
   • 集成千兆以太网控制器，提供高速网络连接。
5. 音频控制：
   • 集成高保真音频控制器，支持多声道音频输出，适用于家庭影院和高质量音频播放。
6. 其他接口：
   • 包括传统的PCI插槽、LPC（低引脚数控制器）接口，用于连接各种传统的外围设备和扩展卡。

2.3 数据流和连接

1. CPU与MCH：CPU通过FSB与MCH连接，负责处理与内存和显卡之间的数据传输。
2. MCH与内存：MCH直接控制内存，通过内存控制器与DDR2内存进行高速数据交换。
3. MCH与显卡：通过集成图形核心或外接的PCIe x16显卡插槽，MCH管理图形数据的处理和输出。
4. MCH与ICH9：MCH通过一个专用的DMI（Direct Media Interface）总线与ICH9相连，传输系统总线和I/O操作数据。
5. ICH9与外设：ICH9负责与USB设备、SATA硬盘、网络接口和音频设备等进行通信，管理所有的输入/输出操作。

3 Q35-ICH9 v.s. i440FX-PIIX4

3.1 拓扑结构

	Q35 + ICH9	I440FX + PIIX4
IOMMU	支持IOMMU，提升虚拟化性能和安全性，允许虚拟机直接访问硬件I/O设备	不支持IOMMU
PCIe支持	集成PCIe接口，提供高带宽和低延迟的设备连接	仅支持传统的PCI总线，不支持PCIe
I/O芯片	通过LPC接口连接超级I/O芯片，支持更多传统I/O功能	南桥集成传统I/O功能，但功能较少
USB端口	提供12个USB 2.0端口，显著提升外设连接能力	通常仅提供2-4个USB 1.1端口
存储接口	使用SATA接口，支持更高的数据传输速度和更多设备连接	使用并行ATA（PATA）接口，数据传输速度较慢，设备连接数量有限

3.2 中断请求路由

IRQ（中断请求）路由是芯片组用于管理和分配设备中断信号的机制。下面对比以下Q35和I440FX在IRQ路由方面的差异。

3.2.1 I440FX/PIIX4 IRQ 路由

1. IRQ 路由机制：

   • 传统PIC模式：使用传统的8259A可编程中断控制器（PIC）来管理IRQ。

   • IRQ向量数量：仅有2个PCI IRQ向量可用，限制了设备中断的并发处理能力。

2. 中断分配：

   • 设备通过PCI总线连接时，中断信号通常是共享的。

   • I440FX/PIIX4芯片组的中断分配和管理相对简单，但扩展性有限。

3.2.2 Q35 IRQ 路由

1. IRQ 路由机制：

   • PIRQ引脚：Q35芯片组有8个PIRQ引脚（PIRQA-H），用于中断请求路由。

   • 中断模式：支持两种模式

     • 传统PIC模式：类似于I440FX/PIIX4的8259A PIC模式，用于兼容旧系统。
     • I/O APIC模式：使用I/O高级可编程中断控制器（APIC），提供更多的中断向量和更高效的中断处理。

2. 中断分配：

   • Q35运行在I/O APIC模式下，支持更多中断向量，提高中断处理效率。

   • 槽位映射：Q35有多个PCI槽位（0-31），其中

     • 槽位0-24映射到PIRQE-H，使用循环轮转机制分配中断。
     • 槽位25-31可以通过编程映射到PIRQ引脚。

   • 可编程映射：PCIe总线到PIRQ的映射可以进行编程，提供灵活的中断管理。

3. PCI IRQ向量：

   • Q35有8个PCI IRQ向量可用，比I440FX/PIIX4的2个向量显著增加。

   • 这种增加使得Q35能够更好地处理多个PCI设备的中断请求，减少中断冲突，提高系统性能。

3.3 设备配置

Q35和I440FX在设备支持和配置灵活性上也存在明显的差异：

	Q35-ICH9	I440FX-PIIX4
存储接口	支持现代的AHCI接口，提高了存储设备的性能和灵活性	使用传统IDE接口，性能和功能相对较弱
PCI地址	支持灵活的PCI地址分配和PCIe设备，资源配置更高效	固定的PCI地址空间，仅支持传统PCI设备
插槽配置	提供更多插槽配置选项和可编程的插槽映射，支持现代计算需求	配置固定，扩展性和灵活性有限

可以通过lscpu查看和对比两种架构下的PCI拓扑结构：

最后对比一下Q35的PCIe Switch和I440FX/PIIX的PCI Bridge：

	PCIe Switch (Q35)	PCI Bridge (I440FX)
架构	基于点对点连接，每个通道具有独立带宽，性能更优	基于共享总线架构，扩展性和性能受限
带宽	每个通道独立带宽，高性能设备连接无瓶颈	共享总线带宽，多个设备时性能可能下降
扩展性	支持更多设备，扩展性强	扩展设备数量有限，受总线架构限制
灵活性	支持热插拔和动态配置，灵活性高	配置固定，动态管理能力有限

4 扩展阅读

wiki.qemu.org/Features/Q3…

wiki.qemu.org/images/4/4e…

www.linux-kvm.org/images/0/06…

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