芯片制造商英特爾、Advanced Micro Devices(AMD)和ARM公司部署了指令集擴(kuò)展，以使硬件支持虛擬化，但其中所涉及的代碼和首字母縮略詞很難理解。

長期以來，硬件支持一直是虛擬化不可或缺的要求，硬件支持可使選定的虛擬機(jī)管理程序能夠以硬件時鐘速度處理復(fù)雜的指令權(quán)限轉(zhuǎn)換以及管理虛擬化內(nèi)存資源。

指令集擴(kuò)展可為虛擬化提供硬件支持，指令集擴(kuò)展是指添加到處理器和其他芯片的整套新晶體管，它可帶來新功能以及直接處理特定的新指令。如果沒有這種擴(kuò)展，虛擬化所需的功能和任務(wù)將需要軟件仿真，而這通常過于繁瑣且低效，無法處理重要的虛擬化任務(wù)。

虛擬化主要是一種計算活動，它需要全面的內(nèi)存管理和對特權(quán)訪問的控制。因此，英特爾和AMD都在試圖提供虛擬化支持–通過在其處理器中添加指令集擴(kuò)展和一系列互補(bǔ)功能。

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英特爾虛擬化技術(shù)(VT)

在2005年，英特爾推出Intel VT-x—基于兩款奔騰4處理器，這也是英特爾***次推出虛擬化硬件支持。VT-x添加了10條新指令，可創(chuàng)建和控制虛擬機(jī)(VM)。該虛擬化軟件在虛擬執(zhí)行模式運(yùn)行，其中客戶操作系統(tǒng)具有完全權(quán)限，而不會干擾受保護(hù)和隔離的主機(jī)操作系統(tǒng)。

在最初推出VT-x后，英特爾還推出額外的虛擬化技術(shù)，雖然這些虛擬化技術(shù)不是特定的VT-x命令，但附加功能為英特爾處理器提供了更多的虛擬化功能。

2008年，英特爾增加了對擴(kuò)展頁表(EPT)的支持，這是英特爾部署的二級地址轉(zhuǎn)換(SLAT)或嵌套分頁。

虛擬化必須將物理內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換為虛擬內(nèi)存地址。問題在于這種轉(zhuǎn)換發(fā)生了兩次：一次是針對主機(jī)VM，第二次是針對每個訪客VM。這無疑會增加開銷并降低性能。擴(kuò)展頁表等二級地址轉(zhuǎn)換技術(shù)可改進(jìn)內(nèi)存管理和提高性能，主要是通過消除這種開銷以及同時處理所有內(nèi)存管理任務(wù)來實現(xiàn)。

2010年，英特爾開始支持不受限制的訪客，也被稱為IA-32e模式，這種模式使邏輯處理器和虛擬CPU可在處理器上以實模式運(yùn)行。這使訪客虛擬機(jī)通過使用自己的擴(kuò)展頁表可在裸機(jī)模式運(yùn)行。VMware

Workstation 14和Fusion 10等部分軟件要求處理器支持IA-32e模式。

到2013年，英特爾推出虛擬機(jī)控制結(jié)構(gòu)(VMCS)陰影繪制。長期以來，虛擬化面臨的挑戰(zhàn)是嵌套問題，即在VM中運(yùn)行VM。每個VM都使用唯一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)VM在VM中運(yùn)行時，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)必須交換或更改。

在2013年之前，解決此問題的方法是緩存每個VMCS并使用軟件來處理它們，但這個過程太費時并降低性能。而將VMCS陰影繪制添加到處理器可使VMCS處理更加高效并提高VM性能。

AMD虛擬化(AMD-V)

AMD公司最初在2006年向其處理器系列的幾款處理器添加了虛擬化支持所需的命令集擴(kuò)展，包括Athlon 64、Athlon 64 X2、Athlon 64 FX、Turion 64 X2以及部分Opteron、Phenom和Phenom II處理器。AMD-V命令使開發(fā)人員能夠編寫軟件以創(chuàng)建和控制VM，支持使用虛擬機(jī)管理程序。

隨后AMD又以快速虛擬化索引的形式向部分K10和Phenom II處理器增加了二級地址轉(zhuǎn)換或嵌套分頁支持以提高物理到虛擬內(nèi)存轉(zhuǎn)換的性能，這在功能上與英特爾的擴(kuò)展頁表完全相同。

ARM虛擬化

采用RISC架構(gòu)的處理器已開始部署虛擬化支持。符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的ARM架構(gòu)版本8(即ARMv8-A)現(xiàn)在支持虛擬化功能，使ARM芯片能夠運(yùn)行多個VM，且每個VM都有不同的操作系統(tǒng)。

ARMv8.1引入了虛擬化主機(jī)擴(kuò)展(VHE)，它為Type 2虛擬機(jī)管理程序提供了增強(qiáng)支持。

ARMv8.1-VHE還提供基本地址轉(zhuǎn)換，另一方面，ARMv8.3-NV增加了對嵌套虛擬化的支持。

ARM處理器通常使用精簡指令集，這需要更少的能量和冷卻，因為晶體管數(shù)量非常少，而且，由于其采用更簡單的處理器設(shè)計，它們通?？梢蕴峁└玫男阅?。ARM芯片長期以來一直部署在嵌入式系統(tǒng)和服務(wù)器中，用于處理基本的大容量工作負(fù)載，例如Web服務(wù)器。

現(xiàn)在，在添加虛擬化硬件支持后，ARM系統(tǒng)可承載更多工作負(fù)載，這使其開始吸引更多人的關(guān)注，特別是吸引那些極其龐大的數(shù)據(jù)中心。

英特爾APICv和AMD AVIC

處理器通常會使用中斷，使系統(tǒng)能夠被現(xiàn)實世界的事件中斷，例如鍵盤信號或系統(tǒng)條件。但是，大量中斷可能會影響虛擬化系統(tǒng)的性能，不斷要求工作負(fù)載停止并等待CPU解決系統(tǒng)中正在發(fā)生的其他事情。

中斷虛擬化的概念，通過排序和排列中斷可減輕這些潛在的性能影響。排序使系統(tǒng)能夠根據(jù)優(yōu)先級解決中斷，而排列則讓系統(tǒng)等待最合適的時間來解決中斷問題?？傮w而言，這些技術(shù)可***限度地降低中斷對虛擬化環(huán)境的性能影響。

在2012年，英特爾和AMD都增加了中斷虛擬化。AMD采用的是高級虛擬中斷控制器(AVIC)，該控制器提供在后期型號的Carrizo處理器中。而英特爾則使用高級可編程中斷控制器虛擬化(APICv)，該虛擬化最早出現(xiàn)在2013年和2014年的多款Xeon E5處理器中。

在2019年，除部分Intel Atom型號外，幾乎所有主要處理器型號都具有虛擬化硬件支持。例如，Atom處理器的Diamondville，Pineview和Cedarview變體不支持Intel-VT。

默認(rèn)情況下，虛擬化支持并非始終啟用。某些系統(tǒng)主板要求管理員在軟件可使用虛擬化功能之前啟用系統(tǒng)固件(BIOS)中的虛擬化功能。

在這個由三部分組成的系列文章的第二部分中，我們將介紹每個主要的GPU擴(kuò)展。