Ubuntu：Windows虛擬機顯示卡直通

本文說明如何在Ubuntu 22.04上安裝Windows 10虛擬機，並將Nvidia顯示卡直通給虛擬機，以求能執行3D應用程式。

這樣講或許很抽象，請看影片：

顯示卡直通(GPU Passthrough) 讓Windows虛擬機能以接近原生效能玩大型3D遊戲。要做到這點，需要2個顯示卡：一個CPU內顯，一個獨立顯示卡。此外最好準備2個螢幕。

1. 內顯與獨顯？實體機與客體機？

內顯: CPU的內建顯卡，例如Intel I5-7400的內顯是HD630。但是要注意有的CPU沒有內顯，無法輸出畫面。
獨顯: Nvidia或AMD的獨立顯示卡，例如GTX和Radeon系列。

獨顯通常性能較好，負責複雜的3D運算。電腦通常會優先以獨顯開機。

至於宿主系統，也就是裝在電腦上的叫做實體機(Host)，虛擬機則叫做客體機(Guest)。

至於使用到的直通技術是IOMMU和VFIO。

2. 硬體資訊

實體機系統: Ubuntu 22.04
客體機系統: Windows 10
CPU: Intel I5-7400，有內顯UHD 630。
GPU: Nvidia GTX1050Ti

我有二個螢幕，都是插HDMI。電腦主機後方連接主機板的洞是內顯，下面的是獨顯的洞。

一般來說主螢幕是插在獨顯的洞，而獨顯在直通給虛擬機後，主螢幕就要改插內顯的洞。

因此要準備二個HDMI插孔的螢幕。

操作前我的主螢幕插在獨顯的洞，副螢幕尚未連接。

3. 安裝 QEMU-KVM

Ubuntu安裝QEMU-KVM和Virt Manager虛擬機管理員

4. 安裝Windows 10虛擬機

Ubuntu安裝Windows 10/11虛擬機 (QEMU KVM)

不可安裝SPICE Tools。

Windows虛擬機雖然有畫面，但是圖形效能很差，看看Edge瀏覽器的WebGL Aquarium的FPS就知道，所以要直通顯示卡。

5. 禁止Linux核心載入Nvidia獨顯

將Windows虛擬機關機。
從Ubutnu應用程式列表開啟「額外驅動程式」，檢查目前是用Nouveau開源驅動還是Nvidia閉源驅動。
如果是閉源驅動，執行以下指令刪除Nvidia驅動，改安裝開源的nouveau驅動並重開機。

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sudo apt-get purge *nvidia*
sudo apt-get install xserver-xorg-video-nouveau

重開機後額外驅動程式會顯示目前使用的是nouvueau驅動。
啟用IOMMU，編輯/etc/default/grub，針對Intel CPU，在GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT後面加入以下內容:

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GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="intel_iommu=on"

更新GRUB後重開機。

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sudo update-grub
sudo reboot

執行以下指令查找獨顯和HDMI裝置的ID

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lspci -nnk

找到GTX 1050Ti和其HDMI音訊裝置，將後面的二個硬體ID記起來，例如這裡是10de:1c82和10de:0fb9。
接著禁止開機載入獨顯的驅動程式。針對Nvidia顯示卡，modprobe.blacklist代表將nouveau驅動也加入黑名單並允許不安全的中斷。所以再次修改/etc/default/grub，將GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT增添為以下內容：

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GRUB_CMDLINE_LINUX_DEFAULT="intel_iommu=on vfio_iommu_type1.allow_unsafe_interrupts=1 vfio-pci.ids=10de:1c82,10de:0fb9 modprobe.blacklist=nouveau kvm.ignore_msrs=1"

啟用vfio-pci核心模組

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sudo echo 'vfio-pci' > /etc/modules-load.d/vfio-pci.conf

更新GRUB和initramfs並重開機

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sudo update-grub
sudo update-initramfs -u
sudo reboot

重開機一直按著delete，進到BIOS，設定開啟混合螢幕輸出，我的是在Advanced → System Agent (SA) Configuration，設定以內顯(IGFX)優先開機。
主螢幕改插到內顯的孔，副螢幕插到獨顯的孔，重開機進入Linux系統。

6. 將獨顯直通到虛擬機

開啟Virt Manager，按二下開啟，點i編輯Windows虛擬機
點選加入硬體 → 加入PCI主機裝置
將獨顯和獨顯音訊HDMI都加進去
Windows虛擬機開機後，按下檢查系統更新，會自動下載Nvidia的基本驅動。
之後應該會在裝置管理員看到顯示卡，再安裝GeForce Experience更新顯示卡驅動。
於是WebGL Aquarium的FPS終於正常，副螢幕也會顯示Windows虛擬機的桌面。

7. 如果不想要插二個螢幕

若只插主螢幕，虛擬機也是有畫面，但是要到Windows顯示設定，改成只在主螢幕顯示。

此外，要到Nvidia Control Panel或Windows設定→系統→顯示器→圖形設定手動指定哪些程式要用獨顯跑。

或者可以嘗試更進階的: 單顯卡直通 (Single GPU Passthrough)。但是我比較喜歡二種系統在同一個畫面同時執行。

8. 取消獨顯直通虛擬機

Windows 10虛擬機硬體列表移除顯示卡(PCI硬體裝置)
修改/etc/default/grub，將modprobe.blacklist=nouveau參數去除，更新GRUB設定。
進入BIOS，設定以獨顯優先開機。
重開機後從Ubutnu應用程式列表開啟「額外驅動程式」，安裝Nvidia專有驅動。

Ubuntu：Windows虛擬機顯示卡直通

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