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用接近原生的效能跑 Windows 10 虛擬機

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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 y 或 m。

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:13c2 及 10de: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

提示權限錯誤，無法開啓虛擬機

如果更新後出現 permission denied 之類的訊息，那就有可能是權限設定跑掉了。

請更新 /etc/libvirt/qemu.conf：

sudo vim /etc/libvirt/qemu.conf

找到 user 和 group，他們預設應該會被設爲 "root" 並註解，改爲你的 user 和 group:

 [...] 
 # Some examples of valid values are:
 #
 #    user = "qemu"   # A user named "qemu"
 #    user = "+0"     # Super user (uid=0)
 #    user = "100"    # A user named "100" or a user with uid=100
 #
 user = "akccakcctw"
 # The group for QEMU processes run by the system instance. It can be
 # specified in a similar way to user.
 group = "kvm"
 [...]

確認 user 在 kvm group 內：

sudo usermod -a -G kvm $(whoami)

虛擬機容量不夠

先確認虛擬機名稱並關閉：

$ sudo virsh list

Id   Name    State
-----------------------
 4    win10   running

$ sudo virsh shutdown win10

取得虛擬機檔案路徑：

sudo virsh domblklist win10

查看檔案 info：

sudo qemu-img info ~/vbox/win10.qcow2

擴充虛擬機磁碟大小

sudo qemu-img resize ~/vbox/win10.qcow2 + 10G

注意如果有開啓 snapshot，需要先移除所有 snapshot，才有辦法擴充磁碟

sudo virsh snapshot-list win10
sudo virsh snapshot-delete --domain win10 --snapshotname snapshot
sudo virst snapshot-list win10

參考資料

Footnotes

  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%。 ↩

在 Mac 上製作 Windows 10 usb 安裝碟
修正 Portal 2 於 Linux 中文顯示問題