GPU虚拟化

在嵌入式虚拟化中，常遇到能移植hypervisor，能启动虚拟机，如果要显示图形界面有两种方案:
    一是GPU设备透传，虚拟机加载原生图形栈
    二是GPU虚拟化，其中GPU虚拟化又分为硬件辅助的GPU虚拟化和软件的GPU虚拟化
    方案一不属于严格意义上的GPU虚拟化，本文主要分析方案二GPU虚拟化。
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1. 概述

1.1 GPU子系统分层

GPU主要用于通用计算和图形渲染。上图GPU子系统抽象了几层概念：
      应用程序：调用图形API，如OpenGLES，Vulkan
      底层库：图形用户态驱动，一般为GPU厂商闭源实现
      内核和硬件：包括GPU硬件驱动，最底层为GPU硬件
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1.2 GPU虚拟化需求

多虚拟机对GPU资源共享的需求，应用场景如：
    多屏车机（IVI/Cluster共用GPU）
    本地桌面虚拟机（Vmvare，Virtualbox，Qemu-kvm）
    远程桌面虚拟机（云桌面多租户）
    云手机
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1.3 GPU虚拟化分类

根据GPU子系统实现分层，虚拟化技术也可以实现在三个层次，即用户层、内核层和硬件层：
    用户层：API 拦截和 API forwarding
    内核层：GPU 驱动拦截; GPU 驱动半虚拟化(Para Virtualization)
    硬件层：硬件辅助虚拟化; SRIOV(Single Root I/O Virtualization); Nvidia MIG(Multi-Instance GPU)
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2. 用户层

在用户态图形API函数库（如libopenglES）进行拦截和转发，可以在本地转发，也可以转发到别的系统
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2.1 本地 API 拦截和 API forwarding

1. 在用户态实现一个函数库，假设叫 libwrapper，它要实现底层库的所有API
2. 让APP调用这个libwrapper => 如何实现？底层动态库 + 用dlopen打开
3. libwrapper拦截用户的函数调用，对函数进行解析，然后使用参数去调用实际的底层库相同名称的函数
4. 调用完成后，libwrapper 把结果返回给 APP
案例：Chromium
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2.2 远程 API forwarding

1. libwrapper 通过网络，去调用不同机器上的底层库
2. libwrapper 变成两部分，client 用于转发，和server用于接收和调用
3. 可以实现GPU池化（即多个GPU可以组成调用池，由多个client来调用），可以做到不具备GPU的机器能实现GPU的功能
案例：AWS Elastic GPU, rCUDA, Bitfushion 都是基于CUDA计算的，还没看到图形渲染API forward开源案例。
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• 案例1：AWS Elastic GPU。基于Nvdia GPU用于CUDA计算，参考 https://zhuanlan.zhihu.com/p/618496091
  
  

• 案例2：rCUDA
  

• 案例3：Bitfusion
  

2.3 半虚拟化 API forwarding

1. APP 和 libwrapper 运行在虚机中
2. libwrapper 通过半虚拟化方式（virtio）进行通讯，调用宿主机的底层库
3. 虚机的内核要实现 virtio-gpu frontend 
4. 宿主机的 hypervisor 实现 virtio-gpu backend
5. 宿主机完成底层库的调用
案例：swiftshader，drm_virgl，gfxstream
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2.3.1 基于Virtio-GPU的Android虚拟化

谷歌Android Cuttlefish/Goldfish支持的Virtio-GPU虚拟化方案， 支持以下的gpu虚拟化方式
参考谷歌官方：https://source.android.com/docs/setup/create/cuttlefish-ref-gpu?hl=zh-cn
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架构对比：
    1. 在Android Guest VM 端，Mesa或goldfish-opengl将OpenGLES命令分别编码为Gallium流或自动生成的GLES流。
    2. virtio-gpu内核驱动程序用作命令流传输。
    3. 在主机端，virglrenderer （用于 Mesa）和vulkan-cereal（用于goldfish-opengl ）在现有 GPU驱动程序之上重播解码的命令流。 
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2.3.2 swiftshader

• Trout中基于virtio-gpu 2D的图形显示方案

2.3.3 drm_virgl

• 详细分析参考我的另一篇博客 https://blog.csdn.net/stray2b/article/details/123487106

2.3.4 Gfxstream

• Trout中支持基于virtio-gpu的gfxstream图形加速方案
• QNX中支持基于virtio-gpu的gfxstream图形加速方案

参考：https://blackberry.qnx.com/en/products/foundation-software/qnx-hypervisor/advanced-virtualization-frameworks

3. 内核层

在内核层进行调用拦截，有虚拟设备文件进行拦截方案，也有内核驱动半虚拟化方案
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3.1 设备文件拦截

    内核拦截模块模拟一个设备文件，内核拦截模块将用户进程的访问转发到（真实的）驱动软件，然后将对应内核函数的返回解析，再返回用户态。
        a. 通常底层库通过设备文件访问 GPU 驱动的功能，假设为 /dev/realgpu
        b. 实现一个内核模块，输出模拟的设备文件给用户空间，假设为 /dev/realgpu
        c. 把模拟的设备文件 bind mount 到容器里，伪装成真的设备文件 /dev/realgpu
        d. APP 和底层库都在容器里运行，底层库访问伪装的设备文件 /dev/realgpu，此时所有访问被内核模块拦截
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3.2 QNX 8155

8155车机是一种设备文件拦截的GPU虚拟化方案
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• Android绘图指令通过/dev/下设备节点被转发到PVM（QNX仪表）中进行绘制，PVM中有完整的图形栈
• Cluser挂了，IVI一定会挂
• QNX中WFD框架管控所有屏幕和图层，可以在IVI图层中挖洞，提前亮屏等操作
• 参考：https://blog.csdn.net/liaochaoyun/article/details/127391509

3.2 驱动半虚拟化

    用户进程通过系统虚拟化层（hypervisor）提供的虚拟化接口，访问（真实的）虚拟化接口。
        a. APP 和底层库都在虚机里
        b. 虚机的 GPU 驱动实现半虚拟化接口，通过类似 hypercall 的方式，调用宿主机实际的 GPU 驱动
        c. hypercall 切换 guest 到 hypervisor， hypervisor 通过内核中的驱动代理来访问实际的 GPU 驱动
        例如，车机中的 GPU 虚拟化。基于 type 1 的 hypervisor 虚拟化技术，支持多个 Guest。
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4. 硬件层

硬件辅助的GPU虚拟化，从硬件层面虚拟出多个子GPU，每个子GPU可用于独立渲染。需要GPU芯片厂商提供实现。
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4.1 SRIOV

4.2 Nvidia MIG

4.3 PowerVR

Series6系列GPU内核开始，PowerVR就具备了先进完备的硬件虚拟化特性
如芯驰X9使用的Imagination的PowerVR Series 9XM，支持硬件辅助虚拟化
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4.4 Arm Mali G78AE

Mali G78AE GPU:带来了对虚拟化的硬件支持，可以直接访问多达16个虚拟机 (VM)，从而以标准的时间片方法共享资源。目前没看见已量产的开发板，预估2024年以后。
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