Axvisor 开发指南

Axvisor 是运行在 ArceOS 基础能力之上的 Type-1 Hypervisor。与 ArceOS / StarryOS 不同，Axvisor 的开发必须同时关注代码、板级配置、VM 配置和 Guest 镜像。本文档覆盖开发环境、Hypervisor 运行时开发、虚拟设备开发、vCPU 管理、VM 与板级配置、Guest 支持、测试策略和调试技巧。

架构分层、运行时模块和核心设计机制见 Axvisor 架构。最短命令和快速启动见快速开始。构建系统总览见构建与运行。

1. 开发环境

1.1 工具链

Axvisor 共享 TGOSKits 工作区统一工具链（nightly-2026-04-27）。Axvisor 的交叉编译配置位于 os/axvisor/.cargo/config.toml，包含各架构的链接器标志和 runner 配置。

1.2 QEMU

Axvisor 开发依赖 QEMU 的硬件虚拟化支持：

架构	QEMU 包名	虚拟化特性
aarch64	`qemu-system-aarch64`	EL2 虚拟化扩展
riscv64	`qemu-system-riscv64`	H 扩展
x86_64	`qemu-system-x86_64`	VMX
loongarch64	`qemu-system-loongarch64`	虚拟化支持

1.3 Guest 镜像准备

Axvisor 支持加载多种 Guest OS 镜像。首次运行前需要通过 setup_qemu.sh 准备：

cargo xtask axvisor defconfig qemu-aarch64
(cd os/axvisor && ./scripts/setup_qemu.sh arceos)

该脚本完成以下操作：

从 axvisor-guest GitHub 仓库下载 Guest 镜像到 /tmp/.axvisor-images/qemu_aarch64_arceos
从 configs/vms/arceos-aarch64-qemu-smp1.toml 生成 os/axvisor/tmp/vmconfigs/arceos-aarch64-qemu-smp1.generated.toml
自动修正 VM 配置中的 kernel_path
复制 rootfs.img 到 os/axvisor/tmp/rootfs.img

支持的 Guest 镜像类型：arceos, arceos-riscv64, linux, nimbos。

2. 目录结构总览

os/axvisor/
├── src/                    # Hypervisor 运行时
│   ├── main.rs             # 入口：打印 logo → 检查硬件虚拟化 → vmm::init() → vmm::start()
│   ├── hal/                # 硬件抽象层
│   │   ├── mod.rs          # AxMmHalImpl（地址空间内存分配），架构分发
│   │   └── arch/           # 架构相关虚拟化原语
│   │       ├── aarch64/
│   │       ├── loongarch64/
│   │       ├── riscv64/
│   │       └── x86_64/
│   ├── vmm/                # 虚拟机管理器
│   │   ├── mod.rs          # VMM init/start，VM 启动，VM 列表管理
│   │   ├── config.rs       # VM 配置加载（文件系统或静态）
│   │   ├── vcpus.rs        # vCPU 设置和管理
│   │   ├── vm_list.rs      # 全局 VM 列表
│   │   ├── images/         # Guest 镜像加载
│   │   ├── fdt/            # 为 Guest 生成设备树
│   │   ├── timer.rs        # 虚拟定时器管理
│   │   ├── hvc.rs          # Hypervisor Call 处理
│   │   └── ivc.rs          # 跨 VM 通信
│   ├── shell/              # 交互式控制台（VM 管理）
│   ├── task.rs             # vCPU 任务扩展 trait
│   └── logo.rs             # ASCII art logo
├── configs/
│   ├── board/              # 板级配置（10 个）
│   │   ├── qemu-aarch64.toml
│   │   ├── qemu-riscv64.toml
│   │   ├── qemu-x86_64.toml
│   │   ├── qemu-loongarch64.toml
│   │   ├── orangepi-5-plus.toml
│   │   ├── phytiumpi.toml
│   │   ├── rdk-s100.toml
│   │   ├── roc-rk3568-pc.toml
│   │   └── tac-e400.toml
│   └── vms/                # VM 配置（50+ 个）
│       ├── linux-*-*.toml
│       ├── arceos-*-*.toml
│       ├── freertos-*-*.toml
│       ├── nimbos-*-*.toml
│       ├── rt-thread-*-*.toml
│       └── zephyr-*-*.toml
└── scripts/
    └── setup_qemu.sh       # QEMU Guest 镜像准备脚本

核心组件（位于 components/）：

组件	职责
`axvm`	VM 抽象：`AxVM`, `AxVMRef`, `VMMemoryRegion`, `VMStatus`
`axvcpu`	vCPU 抽象：`AxArchVCpu`, `AxVCpuExitReason`，状态机管理
`axdevice`	虚拟设备框架：passthrough / emulated / excluded
`axvisor_api`	Hypervisor API 接口
`axaddrspace`	地址空间管理

3. Hypervisor 运行时开发

3.1 启动流程

Axvisor 的启动流程（src/main.rs）：

main()
  → 打印 logo
  → 检查硬件虚拟化支持 (has_hardware_support)
  → 启用虚拟化
  → vmm::init()
    → 加载 VM 配置
    → 创建 AxVM 实例
    → 加载 Guest 镜像
    → 初始化 vCPU
    → 生成设备树（如需要）
  → vmm::start()
    → 启动所有 VM
    → 进入控制台 shell

3.2 VMM 核心模块

模块	文件	职责
配置加载	`vmm/config.rs`	从文件系统或静态配置加载 VM 定义
vCPU 管理	`vmm/vcpus.rs`	vCPU 创建、初始化和调度
VM 列表	`vmm/vm_list.rs`	全局 VM 注册表
镜像加载	`vmm/images/`	将 Guest kernel/initramfs/DTB 加载到 VM 内存
设备树	`vmm/fdt/`	为 Guest 生成设备树（描述内存、设备等）
定时器	`vmm/timer.rs`	虚拟定时器，为 Guest 提供时间服务
HVC	`vmm/hvc.rs`	处理 Guest 的 Hypervisor Call
IVC	`vmm/ivc.rs`	跨 VM 通信机制

3.3 修改运行时

改动类型	位置	第一步验证
启动流程	`src/main.rs`	`cargo xtask axvisor build --config os/axvisor/.build.toml`
VMM 逻辑	`src/vmm/`	先 build-only，准备好 Guest 后再 QEMU
HAL	`src/hal/`	build + 对应架构 QEMU 测试
架构相关	`src/hal/arch/`	只影响对应架构，需单独验证
Shell	`src/shell/`	启动后交互测试

4. 虚拟设备开发

4.1 设备模型

Axvisor 的虚拟设备框架（virtualization/axdevice/）支持三种设备模式：

模式	配置字段	说明
Passthrough	`passthrough_devices`	Guest 直接访问物理硬件
Emulated	`emu_devices`	Hypervisor 软件模拟设备
Excluded	`excluded_devices`	从 passthrough 中排除的设备

4.2 设备配置

在 VM 配置文件中的设备配置示例：

[devices]
interrupt_mode = "passthrough"
passthrough_devices = [["/"]]           # 直通所有设备
# 或精细控制：
# passthrough_devices = [["/dev/uart@fe201000"]]
# excluded_devices = [["/dev/gpio"]]

4.3 添加模拟设备

要添加一个新的虚拟设备（如虚拟串口、虚拟块设备），需要：

在 virtualization/axdevice/ 中实现设备模拟逻辑
在 VM 配置的 emu_devices 中注册
在 vmm 中处理对应的 VM Exit 事件
通过 Guest 驱动验证

5. vCPU 管理

5.1 vCPU 状态机

vCPU 的生命周期由 virtualization/axvcpu/ 管理：

Created → Free → Ready → Running ⇄ Suspended → Halted

关键状态转换：

转换	触发
Created → Free	vCPU 初始化完成
Free → Ready	vCPU 绑定到物理 CPU
Ready → Running	被调度器选中执行
Running → Suspended	VM Exit（异常、中断、I/O）
Suspended → Running	VM Entry（恢复执行）
Running → Halted	Guest 关机或错误

5.2 VM Exit 处理

vCPU 进入 Running 后，当发生 VM Exit 时，AxVCpuExitReason 描述退出原因：

// 退出原因需要由 VMM 处理
match exit_reason {
    AxVCpuExitReason::ExternalInterrupt => { /* 处理外部中断 */ }
    AxVCpuExitReason::EptViolation => { /* 处理 EPT 违规 */ }
    AxVCpuExitReason::Hypercall => { /* 处理 HVC/ECALL */ }
    AxVCpuExitReason::MmioRead => { /* 处理 MMIO 读 */ }
    AxVCpuExitReason::MmioWrite => { /* 处理 MMIO 写 */ }
    // ...
}

5.3 per-CPU 虚拟化状态

virtualization/axvcpu/src/percpu.rs 管理每个物理 CPU 上的虚拟化状态，包括当前运行的 vCPU、虚拟化控制寄存器等。

6. VM 配置

6.1 VM 配置文件结构

VM 配置文件位于 os/axvisor/configs/vms/，TOML 格式：

[base]
id = 1                    # VM ID
name = "linux-qemu"       # VM 名称
vm_type = 1               # VM 类型
cpu_num = 1               # vCPU 数量
phys_cpu_ids = [0]        # 绑定的物理 CPU

[kernel]
entry_point = 0x8020_0000           # 入口地址
image_location = "fs"               # "memory"（嵌入二进制）或 "fs"（从文件系统加载）
kernel_path = "/guest/linux/linux-qemu"  # 内核路径
kernel_load_addr = 0x8020_0000      # 内核加载地址
dtb_load_addr = 0x8000_0000         # DTB 加载地址（aarch64）

memory_regions = [
  # [base_addr, size, flags, map_type]
  [0x8000_0000, 0x1000_0000, 0x7, 1],
]

[devices]
interrupt_mode = "passthrough"
passthrough_devices = [["/"]]

6.2 关键字段说明

字段	说明	常见值
`id`	VM 唯一标识	正整数
`cpu_num`	分配的 vCPU 数	1-16
`phys_cpu_ids`	绑定的物理 CPU 列表	`[0]`, `[0, 1, 2, 3]`
`entry_point`	Guest 入口地址	架构相关
`image_location`	镜像加载方式	`"fs"` 或 `"memory"`
`kernel_path`	内核文件路径	Guest 类型相关
`memory_regions`	内存区域	`[[base, size, flags, map_type]]`

6.3 支持的 Guest 类型

Guest	配置前缀	支持的架构/板
Linux	`linux-`	aarch64 (qemu, e2000, orangepi5p, rk3568, rk3588, s100, tac_e400), riscv64-qemu
ArceOS	`arceos-`	aarch64 (qemu, e2000, orangepi5p, rk3568, s100, tac_e400), riscv64-qemu
FreeRTOS	`freertos-`	aarch64 (e2000, orangepi5p, qemu, tac_e400)
NimbOS	`nimbos-`	aarch64-qemu, riscv64-qemu, x86_64-qemu
RT-Thread	`rtthread-`	aarch64-e2000
Zephyr	`zephyr-`	aarch64 (e2000, orangepi5p, qemu, tac_e400)

7. 板级配置

7.1 板级配置文件

板级配置位于 os/axvisor/configs/board/，定义 Hypervisor 本身的编译和运行参数：

# qemu-aarch64.toml
env = { AX_IP = "10.0.2.15", AX_GW = "10.0.2.2" }
features = ["ept-level-4", "ax-std/bus-mmio", "fs"]
log = "Info"
plat_dyn = true
vm_configs = []   # 注意：默认为空，需手动指定或通过 setup_qemu.sh 生成

7.2 已支持的板级配置

QEMU 虚拟板：

配置	架构	用途
`qemu-aarch64`	aarch64	主要开发和测试平台
`qemu-riscv64`	riscv64	RISC-V 虚拟化验证
`qemu-x86_64`	x86_64	x86 虚拟化验证
`qemu-loongarch64`	loongarch64	龙芯虚拟化验证

物理板：

配置	SoC	用途
`orangepi-5-plus`	RK3588S	开发板测试
`phytiumpi`	飞腾	飞腾平台测试
`rdk-s100`	—	RDK 板测试
`roc-rk3568-pc`	RK3568	RK3568 开发板
`tac-e400`	—	E400 板测试

7.3 新增板级支持

创建 os/axvisor/configs/board/<board>.toml
在 platforms/ 下添加对应平台 crate（如需要）
创建对应的 VM 配置 configs/vms/<guest>-<arch>-<board>.toml
验证：

cargo xtask axvisor defconfig <board>
cargo xtask axvisor build --config os/axvisor/.build.toml

8. 第一条成功路径：QEMU AArch64

第一次上手强烈建议从 qemu-aarch64 开始。

8.1 使用 `setup_qemu.sh`

不要直接从 defconfig → build → qemu 开始——默认配置中的 vm_configs 为空，且 rootfs.img 不会自动生成。

# 步骤 1：生成板级配置
cargo xtask axvisor defconfig qemu-aarch64

# 步骤 2：准备 Guest 镜像和 rootfs
(cd os/axvisor && ./scripts/setup_qemu.sh arceos)

# 步骤 3：启动
cargo xtask axvisor qemu \
  --config os/axvisor/.build.toml \
  --qemu-config .github/workflows/qemu-aarch64.toml \
  --vmconfigs os/axvisor/tmp/vmconfigs/arceos-aarch64-qemu-smp1.generated.toml

8.2 为什么直接跑会失败

问题	原因
`vm_configs` 为空	板级配置默认不包含 VM 配置，需通过 `setup_qemu.sh` 或手动指定
`rootfs.img` 不存在	需手动准备或通过脚本下载
`kernel_path` 错误	默认路径指向不存在的位置，`setup_qemu.sh` 会自动修正

9. 测试

9.1 测试套件结构

test-suit/axvisor/normal/：

目录	内容
`qemu/`	QEMU 冒烟测试（4 个架构）
`board-orangepi-5-plus/`	OrangePi-5-Plus 物理板测试
`board-phytiumpi/`	飞腾 Pi 物理板测试
`board-rdk-s100/`	RDK-S100 物理板测试
`board-roc-rk3568-pc/`	ROC-RK3568-PC 物理板测试

9.2 测试配置格式

Axvisor 测试配置与 StarryOS 类似，使用 shell 交互模式：

# build config
vm_configs = ["os/axvisor/configs/vms/linux-aarch64-qemu-smp1.toml"]
features = ["ept-level-4", "ax-std/bus-mmio", "fs"]

# runtime config
shell_prefix = "~ #"
shell_init_cmd = "pwd && echo 'guest test pass!'"
success_regex = ["(?m)^guest test pass!\\s*$"]

关键差异：Axvisor 测试需要指定 vm_configs 来加载 Guest。

9.3 运行测试

# QEMU 测试
cargo xtask axvisor test qemu --target aarch64

# 指定架构
cargo xtask axvisor test qemu --target riscv64

9.4 添加新测试用例

准备 Guest 镜像（或使用已有的）
创建 VM 配置（如需要）
在 test-suit/axvisor/normal/ 对应目录下创建测试
编写 build config（包含 vm_configs）和 runtime config
确认 shell_prefix 与 Guest shell 提示符匹配
验证

10. 调试

10.1 先看配置，再看代码

Axvisor 启动失败时，最常见的问题不是代码编译失败，而是以下四件事没对齐：

检查项	验证方法
`.build.toml` 是否是当前板级配置	`cat os/axvisor/.build.toml`
`vm_configs` 是否为空	检查 build config 中的 `vm_configs` 字段
`kernel_path` 是否真实存在	`ls os/axvisor/tmp/` 查看镜像文件
入口地址 / 加载地址 / 内存布局是否匹配	检查 VM config 中 `entry_point` 与 `memory_regions`

10.2 排错命令

# 重新生成板级配置
cargo xtask axvisor defconfig qemu-aarch64

# 查看可用板级配置
cargo xtask axvisor config ls

# 只做构建，排除编译问题
cargo xtask axvisor build --config os/axvisor/.build.toml

# 使用脚本准备镜像和 rootfs
(cd os/axvisor && ./scripts/setup_qemu.sh arceos)

# 明确指定 VM 配置运行
cargo xtask axvisor qemu \
  --config os/axvisor/.build.toml \
  --qemu-config .github/workflows/qemu-aarch64.toml \
  --vmconfigs os/axvisor/tmp/vmconfigs/arceos-aarch64-qemu-smp1.generated.toml

10.3 GDB 调试 Hypervisor

# 启动带 GDB server 的 QEMU
cargo xtask axvisor defconfig qemu-aarch64
# 手动启动 QEMU 时加 -s -S 参数

在另一个终端：

aarch64-none-elf-gdb <hypervisor-binary>
(gdb) target remote :1234
(gdb) break vmm::init
(gdb) continue

10.4 调试 Guest

调试 Guest 内部问题需要在 Guest 镜像中添加调试输出：

Linux Guest：启用 console=ttyAMA0 等串口输出
ArceOS Guest：使用 LOG=debug 编译 Guest
FreeRTOS/Zephyr Guest：在源码中添加 printf / printk

如果需要在 Hypervisor 层面观察 Guest 行为，可在 VM Exit 处理代码中添加日志：

// 在 vmm 的 VM Exit 处理中
info!("VM Exit: reason={:?}, vcpu_id={}", exit_reason, vcpu_id);

10.5 日志级别

# 通过 build config 设置
# 在板级配置中修改 log 字段
log = "Debug"   # "Error" | "Warn" | "Info" | "Debug" | "Trace"

11. 物理板开发

11.1 从 QEMU 到物理板

将 QEMU 验证通过的改动迁移到物理板时，需要额外关注：

方面	QEMU	物理板
中断控制器	GIC (通用)	SoC 专用 GIC 配置
设备树	QEMU 生成	板级固定 DTB
内存布局	简单连续	可能有保留区域
启动方式	QEMU 直接加载	U-Boot 引导
时钟/电源	无需配置	需初始化 PMU/Clock
存储设备	virtio-blk	真实 eMMC/SD/NVMe

11.2 物理板测试

物理板测试通过 U-Boot 和串口进行：

# 构建 Axvisor
cargo xtask axvisor defconfig orangepi-5-plus
cargo xtask axvisor build --config os/axvisor/.build.toml

# 通过 board xtask 部署和测试
cargo xtask board <subcommand>

物理板测试配置位于 test-suit/axvisor/normal/board-*。

12. 与 ArceOS 的关系

Axvisor 构建在 ArceOS 基础能力之上，改动共享模块时的验证策略：

改动位置	先验证	再验证
`virtualization/axvm`、`axvcpu`、`axdevice`	`cargo xtask axvisor build`	准备好 Guest 后 QEMU 测试
`os/arceos/modules/axhal`	ArceOS helloworld	Axvisor build + QEMU
`os/arceos/modules/axtask`	ArceOS helloworld	Axvisor build + QEMU
`os/axvisor/src/*`	`cargo xtask axvisor build`	QEMU 测试
`os/axvisor/configs/*`	—	直接 QEMU / 板级测试

13. 推荐阅读

Axvisor 架构: 五层架构、VMM 启动链、vCPU 任务模型
组件开发指南: Axvisor 与 ArceOS / StarryOS 的共享依赖
构建与运行: xtask、辅助脚本与测试入口边界
ArceOS 开发指南: Axvisor 所依赖的 ArceOS 基础能力

1. 开发环境​

1.1 工具链​

1.2 QEMU​

1.3 Guest 镜像准备​

2. 目录结构总览​

3. Hypervisor 运行时开发​

3.1 启动流程​

3.2 VMM 核心模块​

3.3 修改运行时​

4. 虚拟设备开发​

4.1 设备模型​

4.2 设备配置​

4.3 添加模拟设备​

5. vCPU 管理​

5.1 vCPU 状态机​

5.2 VM Exit 处理​

5.3 per-CPU 虚拟化状态​

6. VM 配置​

6.1 VM 配置文件结构​

6.2 关键字段说明​

6.3 支持的 Guest 类型​

7. 板级配置​

7.1 板级配置文件​

7.2 已支持的板级配置​

7.3 新增板级支持​

8. 第一条成功路径：QEMU AArch64​

8.1 使用 setup_qemu.sh​

8.2 为什么直接跑会失败​

9. 测试​

9.1 测试套件结构​

9.2 测试配置格式​

9.3 运行测试​

9.4 添加新测试用例​

10. 调试​

10.1 先看配置，再看代码​

10.2 排错命令​

10.3 GDB 调试 Hypervisor​

10.4 调试 Guest​

10.5 日志级别​

11. 物理板开发​

11.1 从 QEMU 到物理板​

11.2 物理板测试​

12. 与 ArceOS 的关系​

13. 推荐阅读​