Deshab-OS/CODE/utsm-ipc

UTSM ↔ Linux IPC 骨架 (Phase 1.3)

概述

Phase 1.3 实现了 UTSM 监控核与 Linux 主导核之间的双向 IPC 通信骨架，包含三个通信通道中的两个：

1. 共享内存环形缓冲区（异步消息） — ✅ 已实现
2. VMCALL hypercall（同步请求/响应） — ✅ 已实现
3. IPI 通知（中断注入） — ⏳ Phase 1.4+

文件结构

UTSM 侧（监控核）

CODE/UTSM/
├── include/utsm/
│   ├── ipc_shm.h         — IPC 共享内存 API 声明
│   └── hypercall.h       — VMCALL 处理器 API 声明
├── vmm/
│   ├── ipc_shm.c          — 共享内存分配、初始化、EPT 映射、ring buffer 操作
│   ├── hypercall.c        — VMCALL VM-Exit 处理（PING/HELLO/SHM_INFO/CONSOLE_WRITE）
│   ├── vmexit.c           — VM-Exit 分发器（增加 VMCALL case）
│   ├── vmexit_asm.S       — VM-Exit 汇编入口（重写：保存/恢复 guest GPR + 汇编 vmresume）
│   ├── vmm.c              — VMM 核心（g_guest_regs 全局变量 + vmm_vmexit_entry 简化）
│   └── ept.c              — EPT 页表（增加 ept_gpa_to_hpa() 翻译函数）

共享协议

CODE/utsm-ipc/
└── ipc_proto.h            — 双内核共享的 IPC 协议头文件

Linux 侧（主导核）

CODE/linux/
├── configs/
│   └── utsm_x86_64_defconfig  — 增加 CONFIG_UTSM_HCALL=y
├── patches/
│   ├── utsm_hcall.c       — Linux 内核驱动：VMCALL + /dev/utsm + SHM 映射
│   ├── utsm_Kconfig       — Kconfig 配置
│   └── utsm_Makefile      — 模块 Makefile
└── build.sh               — 更新：自动安装驱动到 Linux 源码树

通信协议

共享内存布局（GPA 0x04000000，1MB）

0x04000000  utsm_ipc_shm_header (64 bytes)
            ├── magic = "UTSMHC\0\0"
            ├── version = 1
            ├── utsm_ready (UTSM 设置)
            └── linux_ready (Linux 设置)

0x04000040  utsm_ipc_ring utsm_to_linux (UTSM 写，Linux 读)
            └── 64 条消息，每条 256 字节

0x04001040  utsm_ipc_ring linux_to_utsm (Linux 写，UTSM 读)
            └── 64 条消息，每条 256 字节

0x04002040  payload pool (~1MB，用于大数据传输)

VMCALL Hypercall ABI

Linux guest 执行 VMCALL 指令：
  RAX = UTSM_HCALL_MAGIC | op   (0x5554534D48430000 | op)
  RDI = arg0
  RSI = arg1
  RDX = arg2

UTSM 处理 VMCALL VM-Exit：
  1. 从 g_guest_regs 读取 RAX/RDI/RSI/RDX
  2. 验证 magic，提取 op
  3. 分发到对应处理器
  4. 返回值写入 g_guest_regs.rax
  5. GUEST_RIP 前进过 VMCALL 指令
  6. vmresume（GPR = 修改后的 guest 值）

已实现的 Hypercall 操作

操作码	名称	功能
0x0001	PING	返回 "PONG" (0x504F4E47)，用于探测 UTSM
0x0002	HELLO	握手，UTSM 回复 HELLO_ACK 消息到 ring
0x0010	SHM_INFO	返回共享内存 GPA + size
0x0020	CAP_VALIDATE	能力校验（stub）
0x0030	UTRW_READ	封缄内存读（stub）
0x0031	UTRW_WRITE	封缄内存写（stub）
0x0040	DRR_CHECKPOINT	DRR checkpoint 触发（stub）
0x0050	CONSOLE_WRITE	将 Linux 字符串输出到 UTSM 串口
0x0051	CONSOLE_READ	从 UTSM 串口读取（stub）

关键设计决策

1. VM-Exit 汇编重写

VMCS 不保存 guest GPR（RAX-R15）。原汇编只保存 host caller-saved 寄存器，无法让 C 处理器读写 guest GPR。

重写后：

• VM-Exit 时保存全部 16 个 guest GPR 到 g_guest_regs 结构
• 调用 C 分发器（不再从 C 调用 vmresume）
• 恢复全部 16 个 guest GPR（C 可能已修改 rax = 返回值）
• 汇编中执行 vmresume（GPR = 修改后的 guest 值）

2. EPT GPA→HPA 翻译

Linux guest 使用 identity-mapped 页表（GVA=GPA），hypercall 传递的指针是 GPA。UTSM 需要：

• ept_gpa_to_hpa(gpa) — 4 级 EPT walk，支持 4KB/2MB/1GB 页
• 翻译后加 HHDM 偏移得到 host 虚拟地址

3. GPA 布局修复

原 LINUX_GUEST_INITRD_GPA = 0x04000000 与 UTSM_IPC_SHM_GPA = 0x04000000 冲突。

修复后：

0x00400000-0x004FFFFF  固定区域 (boot_params/cmdline/GDT/PGT/stack)
0x01000000-0x02FFFFFF  Linux kernel
0x03000000-0x03FFFFFF  initrd
0x04000000-0x040FFFFF  IPC shared memory (1MB) ← e820 reserved
0x05000000-0x08FFFFFF  general RAM (64MB)

验证方法

1. UTSM 侧编译验证（已完成）

cd d:\Code\Deshab\CODE\UTSM
mingw32-make
# → utsm.elf 生成，0 warnings from new code

2. Linux 内核构建（需 Linux 环境）

cd CODE/linux
./build.sh
# → SYSTEM/boot/linux-bzImage
# → SYSTEM/boot/linux-initrd.img

3. QEMU 端到端测试（需 VMX 支持）

1. 取消 SYSTEM/limine/limine.conf 中 Linux 模块的注释
2. 运行 ISO/run_qemu.bat（需 KVM 或硬件 VMX）
3. 预期串口输出：
   • [UTSM] IPC shm init ok
   • [LINUX] loader init ok
   • [LINUX] vmlaunch
   • Linux 启动日志
   • [utsm] UTSM monitor detected (PONG=0x504F4E47)
   • [utsm] /dev/utsm registered (IPC ready)
   • [HCALL] HELLO from Linux guest
4. Linux 用户态测试：

   echo "hello UTSM" > /dev/utsm    # → UTSM 串口显示 [LINUX] hello UTSM
   cat /dev/utsm                     # → 读取 UTSM 发来的消息
   

后续阶段

• Phase 1.4: virtio-console 双向通信（/dev/hvc0 ↔ UTSM 串口）
• Phase 1.5: virtio-fs 文件共享（Linux 挂载 /utsm）
• IPI 中断注入（替代当前的轮询方式）
• UTRW/CAP/DRR hypercall 完整实现