Arch Linux如何將GPU直通給Windows QEMU/KVM虛擬機

1.目標

Linux上用QEMU/KVM安裝的Windows虛擬機最缺乏的是3D圖形效能，為此利用Linux提供的VFIO(Virtual Function I/O)核心模組將實體機(Host)獨立顯示卡與系統隔離，直通(passthrough)給虛擬機(Guest)使用。

這樣虛擬機便能使用3D硬體加速，用於建模彩現或玩遊戲。

尚能同時使用二個系統作業。

當然獨顯直通給虛擬機時，Host自然就無法利用獨顯運算，文末會討論一些改進和替代方案。

2. 環境

Host OS: Arch Linux。核心版本6.2.1，桌面環境為X11下的KDE。
Guest OS: Windows 11 22H2
主機板：ASUS K31CDK，UEFI開機，關閉Secure boot
CPU: Intel i5-7400
GPU: UHD 630 (內顯)
GPU: GTX-1050Ti (獨顯)
RAM：16GB
SSD: 500GB

電腦需同時有內顯+獨顯，準備二個螢幕。

GPU直通前接線是這樣，內顯處於閒置狀態。

但在啟用GPU直通(啟用VFIO、改用內顯開機)後，內顯HDMI接主螢幕，獨顯HDMI接副螢幕。

3. 安裝Windows 11虛擬機

首先安裝Virt Manager和QMEU/KVM

再安裝Windows 11虛擬機

Windows 11虛擬機必須使用UEFI(OVMF)開機，至少需要分配4核心CPU、8GB RAM、64GB硬碟。不可安裝SPICE Tools。

安裝好後將虛擬機關機。

4. 開始設定GPU直通

4.1. 啟用IOMMU

編輯GRUB設定檔

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sudo vim /etc/default/grub

在GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT這行後面加入核心參數，啟用Intel CPU的iommu。(AMD CPU為amd_iommu)

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GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="intel_iommu=on iommu=pt video=efifb:off"

重新產生設定檔，重開機

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

終端機貼上以下指令稿查找顯示卡的IOMMU群組：

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#!/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;

應會看到顯示卡的分組，例如我的被分到Group 1：

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IOMMU Group 1:
        01:00.0 VGA compatible controller [0300]: NVIDIA Corporation GP107 [GeForce GTX 1050 Ti] [10de:1c82] (rev a1)
        01:00.1 Audio device [0403]: NVIDIA Corporation GP107GL High Definition Audio Controller [10de:0fb9] (rev a1)

將顯示卡的硬體ID記下來，例如這裡是10de:1c82和10de:0fb9。

4.2. 啟用VFIO

再次編輯GRUB

sudo vim /etc/default/grub

將GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT增加為以下內容，vfio-pci.ids後面接的是顯示卡的硬體ID，以逗號分隔。

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GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="intel_iommu=on iommu=pt video=efifb:off vfio-pci.ids=10de:1c82,10de:0fb9"

重新產生GRUB設定檔

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

Arch Linux可使用initramfs載入核心模組，因此修改initramfs內容：

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sudo vim /etc/mkinitcpio.conf

將Modules()修改成如下，設定開機載入vfio核心模組。

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MODULES=(vfio_pci vfio vfio_iommu_type1)

重新生成initramfs。

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sudo mkinitcpio -p linux

4.3. 用內顯開機

重開機，按Delete進入BIOS
設定優先以CPU內顯開機。ASUS K31CDK主機板的選項在Advanced → System Agent （SA）Configuration → IGFX
重開機後，用sudo lspci -nnk | grep NVIDIA檢查VFIO狀態：

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01:00.0 VGA compatible controller [0300]: NVIDIA Corporation GP107 [GeForce GTX 1050 Ti] [10de:1c82] (rev a1)
01:00.1 Audio device [0403]: NVIDIA Corporation GP107GL High Definition Audio Controller [10de:0fb9] (rev a1)

4.4. 將顯示卡分配給虛擬機

開啟Virt Manager，編輯Windows 11虛擬機的硬體。點選左下角新增硬體，選擇PCI主機裝置，加入Nvidia獨顯和音效裝置至虛擬機
新增USB主機裝置 → 滑鼠，這樣就沒虛擬機吃不到Host滑鼠的問題。滑鼠在虛擬機出不來的時候，按Ctrl+ALT讓滑鼠回到Host。

4.5. 在虛擬機內安裝Nvidia驅動

虛擬機開機後會變成雙螢幕。Host主螢幕虛擬機視窗會看到Windows畫面，而副螢幕會暫時黑螢幕。

在虛擬機內下載Geforce Experience，登入Nvidia帳號，安裝驅動程式。

之後Windows應該就會正常顯示雙螢幕。

接著在系統設定→顯示器→圖形，指定應用程式使用Nvidia顯示卡彩現，而非QXL。

圖形效能在副螢幕上最好。

如果副螢幕有喇叭，則Windows的音效會從副螢幕輸出。

5. 改進和替代方案

5.1. 取消GPU直通

編輯GRUB設定檔，把VIFO的參數去掉，重新生成GRUB設定檔。

Virt Manager編輯虛擬機硬體，去掉PCI主機裝置。

5.2. 不插二個螢幕的方案

將副螢幕換成「HDMI顯卡欺騙器」，約一個轉接頭大小而已，並在Windows設定將螢幕只顯示於虛擬機視窗，就可以用主螢幕操控Windows。

或者在虛擬機內部安裝Moonlight遊戲串流伺服器，這樣便可在Host主螢幕以Moonlight客戶端存取HDMI顯卡欺騙器的「假螢幕」，虛擬機內部的音效也會一併帶到Host的音效裝置上。

5.3. 單顯示卡直通 Single GPU Passthrough

此方法應稱作單螢幕直通。

常見作法是新增一個專門跑虛擬機的使用者，在Display Manager登入該使用者後立即啟動QEMU/KVM虛擬機，並將Nvidia核心模組切換，即時直通給虛擬機使用，變成好像在使用另一個系統。Linux Host則是透過SSH遠端登入。待虛擬機關機後退回Display Manager，一切回復原狀。

這樣好處是用比較直覺的方式來選擇進入的系統，用起來很像雙重開機。

壞處在於不能同時使用二個有桌面環境的系統。

Arch Linux如何將GPU直通給Windows QEMU/KVM虛擬機

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