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在 ArchLinux 上使用 KVM 虛擬 Windows 打電動

硬體需求

我的機器大概長這樣

  • 主機板: GA-H170N-WIFI
  • CPU: i5-6400
  • RAM: 16G with 16G swap
  • GPU:
    • Intel HD Graphics 530 for linux host
    • NVIDIA GTX970 (dGPU) for windows guest
  • host OS: Arch Linux

有兩個 GPU 比較適合這樣玩，因為把 GPU 給 guest 之後要有辦法操作 host OS，而且 host OS 已經跑起來（甚至有 GUI）再把 GPU hot-swap 到 guest OS 也是一項非常困難的事情

這篇文章假設你已對 Linux 有一定程度的了解（權限，檔案系統，設定檔等等的慣例）如果你日常生活是使用 ArchLinux，相信對 Linux 各個方面已經有一定程度的了解，確認一下自己的機器覺得適合這樣玩的話，以下是我整理出來的設定步驟：

BIOS settings (GA-H170N-WIFI as example)

讓預設 GPU 使用內顯避免用到 dGPU

integrated graphic

把 vt-d (或是任何 Virtualization 的功能) 打開

vt-d

Kernel features

在 grub 開機參數中啟用 iommu

加入 intel_iommu=on iommu=pt 到 /etc/default/grub 環境變數 GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT, 像是這樣:

...
GRUB_DISTRIBUTOR="Arch"
GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="quiet intel_iommu=on iommu=pt"
GRUB_CMDLINE_LINUX=""
...

接著執行 grub-mkconfig 重新產生 grub config 檔案:

grub-mkconfig -o /boot/grub/grub.cfg

啟用 kernel modules

add /etc/modules-load.d/vm.conf:

vfio
vfio_pci
kvm
kvm_intel
virtio-pci
virtio-net
virtio-blk
virtio-balloon
virtio-ring
virtio

設定 kernel module 參數

add /etc/modprobe.d/vm.conf:

options kvm_intel nested=1

kernel 相關的設定完成之後重新啟動

如果可以成功開機，檢查看看功能是否正常：https://wiki.archlinux.org/index.php/KVM#Kernel_support

使 dGPU 分離 host OS 以便進行 passthrough

在開機的時候就把準備給 guest OS 的 dGPU 從 host OS 中分離，以保持 dGPU 是乾淨沒有被使用的狀態，同時會依照硬體限制把 PCI hardware 分成一些 IOMMU group，必須以 IOMMU group 為單位做分離

檢查 iommu group

這個 repo 有個 ls_iommu.sh 可以用來看 PCI hardware 分別在哪個 IOMMU group:

IOMMU Group 1 00:01.0 PCI bridge [0604]: Intel Corporation Xeon E3-1200 v5/E3-1500 v5/6th Gen Core Processor PCIe Controller (x16) [8086:1901] (rev 07)
IOMMU Group 1 01:00.0 VGA compatible controller [0300]: NVIDIA Corporation GM204 [GeForce GTX 970] [10de:13c2] (rev a1)
IOMMU Group 1 01:00.1 Audio device [0403]: NVIDIA Corporation GM204 High Definition Audio Controller [10de:0fbb] (rev a1)
8086:1901,10de:13c2,10de:0fbb

我這張 dGPU 上面同時還有聲音輸出的 PCI device，加上 PCI bridge 會一起被分離

加入要分離 dGPU 的 grub 開機選項

我用 Ruby 寫了一個 script 來幫忙偵測並產生分離 dGPU 的開機選項：https://github.com/pastleo/kvm-setups/blob/master/example-etc/grub.d/11_gpu_vfio_linux

用 Ruby 寫的意思就是要先把 ruby 安裝好：pacman -S ruby

  1. 把這個檔案下載回去並放在 /etc/grub.d/11_gpu_vfio_linux
  2. 給予執行權限: chmod +x /etc/grub.d/11_gpu_vfio_linux
  3. 依照狀況修改 vim /etc/grub.d/11_gpu_vfio_linux，尤其是 VFIO_WANTED_PCI_KEYWORDS：
# Configurations:
VFIO_WANTED_PCI_KEYWORDS = ['NVIDIA']

這個 script 會尋找包含 VFIO_WANTED_PCI_KEYWORDS 的 PCI device 並產生分離同個 IOMMU group PCI devices 的 grub 開機選項，設定好之後執行 grub-mkconfig 重新產生 grub config 檔案:

grub-mkconfig -o /boot/grub/grub.cfg

完成之後重新開機應該可以看到 VFIO with 'NVIDIA' Linux 的開機選項，選擇該開機選項開機的時候就會以分離 dGPU 的模式開機，連接該 dGPU 的螢幕就不會有畫面了，使用 Bumblebee 之類技術的筆電我個人沒試過不知道會發生什麼事

因為 Nvidia 對 Linux 的相容性非常糟糕，我已經修改 grub 預設開機選項 grub-set-default 2 (從 0 開始，這樣代表把預設設定成第三個選項)，常態性把這張顯示卡處於分離的狀態

安裝並設定好 libvirt, QEMU

yay -S qemu libvirt ovmf virt-manager ebtables dnsmasq bridge-utils

設定權限

這邊的 [USER] 請替換成自己 GUI session 用的 user

usermod -a -G libvirt [USER]
usermod -a -G input [USER]

重新登入 user session 讓設定生效

設定 /etc/libvirt/qemu.conf

vim /etc/libvirt/qemu.conf

1. 設定 qemu 執行時使用的使用者

讓虛擬機用 GUI session 的身份來執行：

...
user = "[USER]"
...
group = "[USER]"
...

2. 允許存取鍵盤滑鼠 evdev

我用同組鍵盤滑鼠來操作 guest / host OS，同時兼具效能又不用兩組鍵盤滑鼠的解決方案就是 evdev passthrough，在這邊先設定 cgroup_device_acl 允許 qemu 使用這些 devices:

group_device_acl = [
    "/dev/null", "/dev/full", "/dev/zero",
    "/dev/random", "/dev/urandom",
    "/dev/ptmx", "/dev/kvm",
    "/dev/rtc","/dev/hpet",
    "/dev/input/by-id/[some_mouse_device]-event-mouse",
    "/dev/input/by-id/[some_keyboard_device]-event-kbd"
]
  • 前面的 "/dev/null", "/dev/full" ... 是必要的
  • "/dev/input/by-id/[some_mouse_device]-event-mouse", "/dev/input/by-id/[some_keyboard_device]-event-kbd" 換成鍵盤滑鼠對應之 evdev path
    • cd /dev/input/by-id/
    • cat ./[some_mouse_device,some_keyboard_device]-event-{mouse,kbd}
    • 動動滑鼠，敲敲鍵盤確認哪個 evdev 是要 passthrough 的

改完之後 :wq 存檔離開

/usr/bin/qemu-kvm 不存在的問題

個人認為這個算是 libvirt 的 bug ，先幫忙處理一下（都過這麼久了...）：

ln -s /usr/bin/qemu-{system-x86_64,kvm}

啟動 libvirt service:

systemctl enable libvirtd
systemctl restart libvirtd

啟用 virtual network

這個動作我們透過 virt-manager GUI 來做，應該可以在 desktop environment 的應用程式清單找到 Virtual Machine Manager，要不然在 terminal 輸入 virt-manager 啟動:

Edit -> Connection Details -> Virtual Networks, default, 句選 Autostart 然後按下播放圖示啟動 virtual network:

enable-virt-network

如果有需要也可以設定一些固定 IP

StackExchange

virsh net-edit default

  <ip address='192.168.122.1' netmask='255.255.255.0'>
    <dhcp>
      <range start='192.168.122.2' end='192.168.122.254'/>
      <host mac='52:xx:xx:xx:xx:xx' name='vm-1-name' ip='192.168.122.53'/>
      <host mac='52:xx:xx:xx:xx:xx' name='vm-2-name' ip='192.168.122.54'/>
    </dhcp>
  </ip>

建立 Windows Gaming 虛擬機

準備 UEFI firmware OVMF

必須使用 OVMF UEFI firmware 才能支援 dGPU passthrough，而且 UEFI firmware 需要搭配快閃記憶體 nvram ，我們從 template 複製出來準備好：

mkdir -p /var/lib/libvirt/qemu/nvram
cp /usr/share/ovmf/x64/OVMF_VARS.fd /var/lib/libvirt/qemu/nvram/[vm_name]_VARS.fd

建立 VM

透過 virt-manager GUI 建立虛擬機，注意 hypervisor (Connection) 要選擇 QEMU/KVM，這邊的設定就很麻瓜了，最後一步比較需要注意的：

  • name 欄位對應上面跟之後寫的 [vm_name]
  • 句選 Customize configuration before install

按下建立之後開始做細部的設定

Overview => Hypervisor Details

  • Chipset: i440FX
  • Firmware: 先選 BIOS 就好，不用動

CPU & 記憶體

  • CPU: 設定要幾顆 CPU，句選 Copy host CPU configuration，Topology 也設定一下避免 guest OS 沒偵測到全部的 vCPU
  • 記憶體: 就看要分多少給 guest OS，guest OS 在啟動的瞬間就會直接把 Current allocation 直接吃走

硬碟

這部份就看要怎麼弄，如果打算用預設的方式（也就是建立一個 qcow2 image 檔案）就不太需要改什麼，我這邊打算直接把實體硬碟的一個 partition 分配給虛擬機使用

可以用 ls -l /dev/disk/by-id / ls -l /dev/disk/by-partuuid 來看要用哪個 disk/partition

我這邊選擇 Bus type 為 VirtIO，官方推薦效能較好，但是接下來在 Windows 安裝時會需要 virtio driver

下載 iso 回來並且增加 CDROM Storage 並指向 virtio-win.iso

其他硬體設定

  • 聲音 Model 選用 AC97，這個需要特別安裝驅動程式
  • 網路 Device model 選 virtio，也是官方推薦效能較好，不過也會需要 virtio driver
  • + Add Hardware => PCI Host Device 把 dGPU 加入！

聲音的部份有稍微實驗一下 HDA (ICH9) 跟 AC97 的差別，兩者其實都會有一些延遲（大概 250ms 左右，還算可接受），但是 AC97 不會有破音的狀況發生

接著要直接去修改設定檔

按下 Begin Installation 建立機器，他會幫你把機器啟動，請直接關閉 (force off)，然後用這個指令開始手動修改（需要 sudo）：

virsh edit [vm_name]

會用 vi 開啟設定檔

1. CPU 綁定(pinning)

設定這個來綁定 vCPU 對應哪顆 CPU，可以增加虛擬機的效能，不過當然得看清楚自己電腦 CPU 的狀況來設定，可以參考 ArchLinux wiki 上的教學，我的機器是 4 核心 CPU 因此設定成：

<domain>
  ...
  <cputune>
    <vcpupin vcpu='0' cpuset='0'/>
    <vcpupin vcpu='1' cpuset='1'/>
    <vcpupin vcpu='2' cpuset='2'/>
    <vcpupin vcpu='3' cpuset='3'/>
  </cputune>
  ...
</domain>

之後機器啟動可以用 virsh vcpuinfo [vm_name] 來觀察 CPU time 跟綁定狀況

2. 設定 UEFI firmware 以及 nvram

<domain>
  ...
  <os>
    ...
    <loader readonly='yes' type='pflash'>/usr/share/ovmf/x64/OVMF_CODE.fd</loader>
    <nvram>/var/lib/libvirt/qemu/nvram/[vm_name]_VARS.fd</nvram>
    ...
  </os>
  ...
</domain>

3. 避免 Nvidia GPU Error 43

<domain>
  ...
  <features>
    ...
    <hyperv>
      ...
      <vendor_id state='on' value='xxxxxxxx'/>
      ...
    </hyperv>
    ...
  </features>
  ...
  <kvm>
    <hidden state='on'/>
  </kvm>
  ...
</domain>

xxxxxxxx 填寫一個隨機的英數字串就可以

4. 鍵盤滑鼠 evdev passthrough

首先要把第一行改成這樣：

- <domain type='kvm'>
+ <domain type='kvm' xmlns:qemu='http://libvirt.org/schemas/domain/qemu/1.0'>

加入 <qemu:commandline>，input-linux 指定上面設定過允許要 passthrough 的鍵盤滑鼠 evdev：

<domain type='kvm' xmlns:qemu='http://libvirt.org/schemas/domain/qemu/1.0'>
  ...
  <qemu:commandline>
    <qemu:arg value='-object'/>
    <qemu:arg value='input-linux,id=mouse1,evdev=/dev/input/by-id/[some_mouse_device]-event-mouse'/>
    <qemu:arg value='-object'/>
    <qemu:arg value='input-linux,id=kbd1,evdev=/dev/input/by-id/[some_keyboard_device]-event-kbd,grab_all=on'/>
  </qemu:commandline>
</domain>

5. 指定聲音輸出到 userspace 的 PulseAudio server 而非透過 virt-manager 視窗

我個人稍微實驗了一下，這步不是必要的，也不會讓效能比較好，加上這些設定是讓虛擬機的 virt-manager 視窗關閉的時候依然可以輸出聲音到 userspace 的 PulseAudio server

加入 QEMU_AUDIO_DRV, QEMU_PA_SERVER 環境變數指定 PulseAudio server，可以用ls -l /run/user/1000/pulse/native 確認一下 PulseAudio server，如果 uid 不是 1000 有可能就不在這個位置上

<domain type='kvm' xmlns:qemu='http://libvirt.org/schemas/domain/qemu/1.0'>
  ...
  <qemu:commandline>
    ...
    <qemu:env name='QEMU_AUDIO_DRV' value='pa'/>
    <qemu:env name='QEMU_PA_SERVER' value='/run/user/1000/pulse/native'/>
  </qemu:commandline>
</domain>

改完 :wq 存檔，應該可以看到 Domain [vm_name] XML configuration edited 表示成功修改

開機，安裝 Windows

用 virt-manager GUI 啟動虛擬機，

因為設定了 evdev passthrough，按下啟動的瞬間鍵盤滑鼠會被虛擬機吃掉，虛擬機啟動之後 按下左 Ctrl 加 右 Ctrl 來切換操作 host/guest

同時應該可以看到接在 passthrough dGPU 的螢幕會亮起來顯示 Tianocore 的 logo，不過在 driver 安裝完成之前操作都還是在 virt-manager 視窗裡

進入 Windows 安裝程式開始安裝，如果你像我一樣在硬碟 bus 的地方選用 virtio，你會看到：

virtio-disk-driver-1

載入驅動程式，如果有加入 virtio-win.iso 應該可以自動搜尋到 driver，如果沒有再自己找：

virtio-disk-driver-2

virtio-disk-driver-3

之後就是正常的 Windows 安裝程序，安裝完成開到 Windows

在 guest OS 上安裝驅動程式

Windows 開起來之後，在 Windows 圖案上按下右鍵，打開 裝置管理員，會有幾個裝置上面有驚嘆號表示沒有驅動程式：

  • 網路卡：按下右鍵選更新驅動程式，然後把搜尋目錄設定在 virtio-win.iso CD-ROM 根目錄應該可以找的到
  • 顯示卡：網路卡正常運作後，顯示卡應該直接按下右鍵選更新驅動程式，然後讓他自動去抓就可以了
  • AC97 音效卡：
    • 從 Realtek 下載驅動程式並且解壓放好
      • 我的 Guest OS 是 Windows 10，用 Vista/Win7 (32/64 bits) Driver only (ZIP file) 可行
      • 需要填寫 Email 才能下載
    • 顯然硬體不是官方的...需要關閉驅動程式簽章檢查才能安裝...請見這個影片：https://www.youtube.com/watch?v=5-Y-oq3DMMA
  • 可能還會有其他有驚嘆號的裝置，理論上都是 virtio 相關的硬體，一樣按下右鍵選更新驅動程式，然後把搜尋目錄設定在 virtio-win.iso CD-ROM 根目錄應該可以找的到

把 GPU driver 裝起來應該可以看到順順的畫面從 dGPU 輸出到螢幕上

大功告成！接下來就可以當成正常的 Windows PC 安裝各種遊戲跟應用程式囉！

如果有需要可以直接參考我的 [vm_name].xml 設定檔：https://github.com/pastleo/kvm-setups/blob/821e2ecf8e38228f521980e7a8a4551ae1bdf703/example-etc/libvirt/qemu/%5Bvm_name%5D.xml

2019/12/29 更新

後記：一個方便的螢幕接法

Windows 虛擬機沒啟動的時候，這樣接使用兩個螢幕：

Intel Graphics --- Monitor 1
               \
                \
                 \
Graphic card   --- Monitor 2

如果要啟動 Windows 虛擬機，也不用一直把線拔來拔去，修改顯示設定讓 host OS 不要輸出畫面到 Monitor 2 即可

macOS High Sierra VM

thanks to kholia/OSX-KVM, this can be done easily, and I prefer to use virt-manager

Prepare installation iso

follow Installation Preparation, using create_iso_highsierra.sh to create iso and copy to linux host

Prepare UEFI firmwares and clover image

cd to/some/dir
git clone https://github.com/kholia/OSX-KVM.git
# at the time git commit sha is cfd120dd3092fb38a89544785b2a97bc93668b44
cd OSX-KVM
sudo cp OVMF_CODE.fd /usr/share/ovmf/x64/OVMF_CODE_MACOS_HS.fd
sudo cp OVMF_VARS-1024x768.fd /var/lib/libvirt/qemu/nvram/macos-high-sierra_VARS.fd
sudo cp Clover.qcow2 /var/lib/libvirt/images/Clover.qcow2

this firmware will make vm mac screen only 1024x768, visit Preparation steps on your QEMU system in kholia/OSX-KVM for more info

Create Mac VM via XML

download example-etc/libvirt/qemu/macos-high-sierra.xml

vim macos-high-sierra.xml # change lines marked by CHANGEME
virsh define macos-high-sierra.xml

this xml is modified from https://github.com/kholia/OSX-KVM/blob/cfd120dd3092fb38a89544785b2a97bc93668b44/macOS-HS-libvirt.xml

Configure Mac VM

using virt-manager GUI:

  • CPU and RAM: make sure they fits hardware
  • Main storage: Add Hardware -> Storage -> Create or Select image, Disk type: Disk device and Bus type: SATA
  • network: xml already set to use virt default NAT

Install macOS

Set CDROM to use the iso from create_iso_highsierra.sh, then just follow instructions from kholia/OSX-KVM

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