用接近原生的效能跑 Windows 10 虛擬機

前言

這篇其實是延續上一篇,成功在 mac 上利用 wimlib 分割檔案的方式製作好 Win10 安裝碟之後,我試著在乾淨的機器裡嘗試安裝,到了安裝階段卻不斷出現安裝失敗的提示,於是我只好暫時放棄 Windows,轉而先灌 Arch Linux1

想要在同一顆硬碟上裝雙系統通常都會先灌 Windows 再灌 Linux,因為 Windows 會把啟動磁區覆蓋掉。而我既然已先灌好 Arch Linux ,雙系統這條路可以說是走不通了,為了不想繼續和 Windows ISO 糾纏太久(但又很想玩遊戲),只好開始研究其他解決方案。

解決方案是有的——把 Windows 裝在虛擬機內就好了啊!

只是一般的虛擬機如果想要拿來打遊戲,效能絕對不敷使用,我們需要使用 QEMU + KVM 2

如果有時間的話,推薦直接去看這篇 ArchWiki,那邊的資訊非常詳盡,這篇只記錄重點步驟。

安裝前準備/確認系統需求

參考 ArchWiki: KVM (Checking support for KVM)

實際動手之前,我們必須確認硬體支援,我們需要:

  • 至少兩個 GPU(例如一個內顯、一個獨顯)3
  • CPU 支援虛擬化技術及 IOMMU(確認方式下面詳述)
  • 主機板支援 IOMMU
  • 要給虛擬機使用的 GPU ROM 支援 UEFI
    • 這個網站可以查,基本上 2012 年之後的 GPU 應該都有支援

確認 CPU 有支援虛擬化技術

KVM 需要有支援此功能才能正常運作,Intel 會叫做 VT-x,AMD 則會叫做 AMD-V,你可以用以下指令確認:

LC_ALL=C lscpu | grep Virtualization
# or
grep -E --color=auto 'vmx|svm|0xc0f' /proc/cpuinfo

如果上述指令沒有 return 任何結果,代表你的硬體不支援虛擬化技術,你可以洗洗睡了4

確認 Kernel 支援

如果你是使用最新的 Arch Linux kernel,那麼應該有支援,或者你也可以輸入以下指令:

zgrep CONFIG_KVM /proc/config.gz

確認 kvm 以及 kvm_amd/kvm_intel 之一有出現在列表中,並且值為 ym

並且確認該 kernel 模組有自動載入:

lsmod | grep kvm

如果上述指令沒有 return 任何結果,你必須手動載入5

modprobe kvm

安裝/設定必要套件

# qemu
sudo pacman -S qemu

# 管理 vm 的圖形介面
sudo pacman -S libvirt virt-manager

# 連接網路需要的套件
sudo pacman -S ebtables dnsmasq bridge-utils openbsd-netcat

# UEFI support
sudo pacman -S edk2-ovmf

權限設定

由於要使用 virt-manager 的圖形介面調整 libvirt 的設定,需要把自己加入 libvirt 的 group 內,以免發生權限問題

# 編輯設定檔
sudo vim /etc/polkit-1/rules.d/50-libvirt.rules

加入以下內容

/* Allow users in kvm group to manage the libvirt
daemon without authentication */
polkit.addRule(function(action, subject) {
  if (action.id == "org.libvirt.unix.manage" &&
    subject.isInGroup("kvm")) {
      return polkit.Result.YES;
  }
});

並且也把自己加入 kvm group:

sudo usermod -a -G kvm $(whoami)

啟動服務

sudo systemctl enable libvirtd.service # optional, 每次開機自動啟動
sudo systemctl start libvirtd.service
sudo systemctl start virtlogd.service

建立虛擬機

我們使用 virt-manager 的圖形介面來建立虛擬機,圖形介面很直覺,不多贅述,依照自己需求修改即可,需要特別注意如下:

  • 在建立前的最後一步,勾選「Customize before install」
  • 在「Overview」選項內,將「Firmware」選項選為「UEFI x86_64」

因為建立之後就沒有辦法修改 firmware 了,所以一定要在這時修改。

完成各項設定後,虛擬機就開好了,接着來安裝作業系統!

安裝作業系統

Win10 ISO 官方下載點

把 ISO 檔掛載到虛擬機就可以安裝了,非常簡單,安裝時有一個畫面是需要填序號,可以先不填,一樣可以安裝成功。

安裝成功之後應該可以正常使用 Windows,但這時候效能還很慘,我們必須把 GPU 直通給虛擬機使用。

GPU passthrough

# 複製原本的 boot loader,畢竟不是每次都想 passthrough,也避免改錯有個保險
sudo cp /boot/loader/entries/arch.conf /boot/loader/entries/arch-kvm.conf

sudo vim /boot/loader/entries/arch-kvm.conf

這時根據 CPU 不同,

  1. AMD 的 CPU(AMD-Vi),加上 options amd_iommu=on
  2. Intel 的 CPU(VT-d),加上 options intel_iommu=on 因此 loader 設定會變成這樣(以 intel 爲例):
title   Arch Linux
linux   /vmlinuz-linux
initrd  /intel-ucode.img
initrd  /linux-kvm.img
options root=PARTUUID=<UUID> rw
options intel_iommu=on

重新開機,然後確認 dmesg 訊息:

dmesg | grep -i -e DMAR -e IOMMU

確認 IOMMU Groups

以下指令可以列出 IOMMU Groups

#!/bin/bash
shopt -s nullglob
for g in /sys/kernel/iommu_groups/*; do
  echo "IOMMU Group ${g##*/}:"
  for d in $g/devices/*; do
    echo -e "\t$(lspci -nns ${d##*/})"
  done;
done;

輸出應該會類似:

IOMMU Group 1:
	00:01.0 PCI bridge: Intel Corporation Xeon E3-1200 v2/3rd Gen Core processor PCI Express Root Port [8086:0151] (rev 09)
IOMMU Group 2:
	00:14.0 USB controller: Intel Corporation 7 Series/C210 Series Chipset Family USB xHCI Host Controller [8086:0e31] (rev 04)
IOMMU Group 4:
	00:1a.0 USB controller: Intel Corporation 7 Series/C210 Series Chipset Family USB Enhanced Host Controller #2 [8086:0e2d] (rev 04)
IOMMU Group 10:
	00:1d.0 USB controller: Intel Corporation 7 Series/C210 Series Chipset Family USB Enhanced Host Controller #1 [8086:0e26] (rev 04)
IOMMU Group 13:
	06:00.0 VGA compatible controller: NVIDIA Corporation GM204 [GeForce GTX 970] [10de:13c2] (rev a1)
	06:00.1 Audio device: NVIDIA Corporation GM204 High Definition Audio Controller [10de:0fbb] (rev a1)

一個 IOMMU Group 是可以直通給虛擬機的最小單位,在此範例中,顯卡位於 IOMMU Group 13,和音效卡同一個 group,必須一起直通給虛擬機使用。

請記下 10de:13c210de:0fbb,這是它們的 device ID,待會會用到。

Isolating the GPU

使用 vfio-pci 綁定指定裝置

一樣編輯 /boot/loader/entries/arch-kvm.conf,新增一行 options,加上 vfio-pci.ids=[你的 device id],範例:

options vfio-pci.ids=10de:13c2,10de:0fbb

盡早載入 vfio-pci

# 複製一份專用設定
cp /etc/mkinitcpio.conf /etc/mkinitcpio-kvm.conf

# 編輯
sudo vim /etc/mkinitcpio-kvm.conf

找到 MODULES 及 HOOKS 區塊,加上以下模組:

MODULES=(... vfio_pci vfio vfio_iommu_type1 vfio_virqfd ...)

...

HOOKS=(... modconf ...)

然後產生一份新的 initramfs

# linux-kvm.img 這個名稱可以自己決定
mkinitcpio -c /etc/mkinitcpio-kvm.conf -g /boot/linux-kvm.img

產生完成後再調整一下 boot loader 設定:sudo vim /boot/loader/entries/arch-kvm.conf

title   Arch Linux
linux   /vmlinuz-linux
initrd  /intel-ucode.img
initrd  /linux-kvm.img
options root=PARTUUID=<UUID> rw
options intel_iommu=on
options vfio-pci.ids=10de:13c2,10de:0fbb

重新開機,確認 vfio-pci 的設定生效:

dmesg | grep -i vfio

調整顯示卡設定

開啓 virt-manager 設定,按右鍵依序選擇「Add Hardware > PCI Host Device」,在列表中找到剛剛設定好直通的設備新增,然後開機。

如果上面的設定都沒問題,系統應該可以偵測到我們直通進去的那張顯卡,可能會需要上網抓最新的驅動程式。

在 Windows 裝置管理員檢查顯示卡,按「右鍵 > 內容」,如果裝置狀態爲「這個裝置正常運作中」,那就沒問題了!

疑難排解

重新啟動之後網路無法連線6

# 注意,你可能會需要加 `sudo` 才看得到列表
virsh net-list --all

# 假設你是用 default
virsh net-autostart default
virsh net-start default

有抓到顯卡,但是看起來沒什麼作用

因爲顯卡必須偵測到有螢幕接上才能正常使用,你有 2 個選擇:

  1. 如果你有 2 臺以上的螢幕,你可以直接將螢幕接到顯卡上,然後在「系統 > 顯示器 > 多部顯示器」設定內,調整爲「只在 2 顯示」。

  2. 或者你像我一樣,只有 1 臺螢幕。就需要在「系統 > 顯示器 > 圖形設定」自行選擇要使用該顯卡來輸出的應用程式7

系統更新 pacman -Syu 之後 arch-kvm 無法開機

再跑一次以下指令,重新產生 initramfs 應該就可以正常起動了:

mkinitcpio -c /etc/mkinitcpio-kvm.conf -g /boot/linux-kvm.img

參考資料


  1. 注意 archlinux 2020.05 的 ISO 檔有問題,我改下載 2020.04 的才能正常安裝。 ↩︎

  2. 感謝這篇 PTT 文指引我一條明路,我安裝 Windows 只是為了打遊戲,也是我找到這篇的原因。 ↩︎

  3. 其實只有一個 GPU 也行,不過不在本文討論範圍內,可參考 https://github.com/joeknock90/Single-GPU-Passthrough ↩︎

  4. 別妄想用 VirtualBox 之類的一般虛擬機來玩遊戲,跑不動的。 ↩︎

  5. ArchWiki: Manual module handling ↩︎

  6. https://www.reddit.com/r/VFIO/comments/6iwth1/network_default_is_not_active_after_every/djayhqu/ ↩︎

  7. 測試過只有設定的應用程式才會使用該顯卡運算,否則就算 CPU 跑到 100%,顯卡還是穩穩的維持在 0%。 ↩︎

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