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目前主要有Intel的VT-x和AMD的AMD-V這兩種技術。其核心思想都是通過引入新的指令和運行模式，使VMM和Guest OS分別運行在不同模式(ROOT模式和非ROOT模式)下，且Guest OS運行在Ring 0下。通常情況下，Guest OS的核心指令可以直接下達到計算機系統(tǒng)硬件執(zhí)行，而不需要經(jīng)過VMM。當Guest OS執(zhí)行到特殊指令的時候，系統(tǒng)會切換到VMM，讓VMM來處理特殊指令。

1、Intel VT-x技術

為彌補x86處理器的虛擬化缺陷，市場的驅動催生了VT-x，Intel推出了基于x86架構的硬件輔助虛擬化技術Intel VT(Intel Virtualization Technology)。

目前，Intel VT技術包含CPU、內(nèi)存和I/O三方面的虛擬化技術。CPU硬件輔助虛擬化技術，分為對應安騰架構的VT-i(Intel Virtualization Technology for ltanium)和對應x86架構的VT-x(Intel Virtualization Technologyfor x86)兩個版本。內(nèi)存硬件輔助虛擬化技術包括EPT(Extended Page Table)技術。I/0硬件輔助虛擬化技術的代表hatelVY-d(Intel Virtualization Technology for Directed I/0)。

IntelVT-x技術解決了早期x86架構在虛擬化方面存在的缺陷，可使未經(jīng)修改的GuestOS運行在特權級0，同時減少VMM對Guest OS的干預。Intel VT-d技術通過使VMM將特定I/O設備直接分配給特定的Guest OS，減少VMM對I/O處理的管理，不但加速數(shù)據(jù)傳輸，且消除了大部分性能開銷。如下圖所示。CPU硬件輔助虛擬化技術簡要說明流程圖：

效法IBM 大型機，VT-x提供了2 個運行環(huán)境：根(Root)環(huán)境和非根(Non-root)環(huán)境。根環(huán)境專門為VMM準備，很像原來沒有VT-x 的x86，只是多了對VT-x 支持的幾條指令。非根環(huán)境作為一個受限環(huán)境用來運行多個虛擬機。

如上圖所示，根操作模式與非根操作模式都有相應的特權級0至特權級3。VMM運行在根模式的特權級0，GuestOS的內(nèi)核運行在非根模式的特權級0，GuestOS的應用程序運行在非根模式的特權級3。運行環(huán)境之間相互轉化，從根環(huán)境到非根環(huán)境叫VMEntry;從非根環(huán)境到根環(huán)境叫VMExit。VT-x定義了VMEntry操作，使CPU由根模式切換到非根模式，運行客戶機操作系統(tǒng)指令。若在非根模式執(zhí)行了敏感指令或發(fā)生了中斷等，會執(zhí)行VMExit操作，切換回根模式運行VMM。

根模式與非根模式之問的相互轉換是通過VMX操作實現(xiàn)的。VMM 可以通過VMXON 和VMXOFF打開或關閉VT-x。如下圖所示：

VMX操作模式流程：

1)、VMM執(zhí)行VMXON指令進入VMX操作模式。

2)、VMM可執(zhí)行VMLAUNCH指令或VMRESUME指令產(chǎn)生VM Entry操作，進入到Guest OS，此時CPU處于非根模式。

3)、Guest 0S執(zhí)行特權指令等情況導致VMExit的發(fā)生，此時將陷入VMM，CPU切換為根模式。VMM根據(jù)VMExit的原因作出相應處理，處理完成后將轉到2)，繼續(xù)運行GuestOS。

4)、VMM可決定是否退出VMX操作模式，通過執(zhí)行VMXOFF指令來完成。

為更好地支持CPU虛擬化，VMX新定義了虛擬機控制結構VMCS(Virtual Machine ControlStructure)。VMCS是保存在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)結構，其包括虛擬CPU的相關寄存器的內(nèi)容及相關的控制信息。CPU在發(fā)生VM Entry或VMExit時，都會查詢和更新VMCS。VMM也可通過指令來配置VMCS，達到對虛擬處理器的管理。VMCS架構圖如下圖所示：

每個虛擬處理器都需將VMCS與內(nèi)存中的一塊區(qū)域聯(lián)合起來，此區(qū)域稱為VMCS區(qū)域。對VMCS區(qū)域的操縱是通過VMCS指針來實現(xiàn)的，這個指針是一個指向VMCS的64位的地址值。VMCS區(qū)域是一個最大不超過4KB的內(nèi)存塊，且需4KB對齊。

VMCS區(qū)域分為三個部分：偏移0起是VMCS版本標識，通過不同的版本號，CPU可維護不同的VMCS數(shù)據(jù)格式;偏移4起是VMX中止指示器，在VMX中止發(fā)生時，CPU會在此處存入中止的原因;偏移8起是VMCS數(shù)據(jù)區(qū)，這一部分控制VMX非根操作及VMX切換。

VMCS 的數(shù)據(jù)區(qū)包含了VMX配置信息：VMM在啟動虛擬機前配置其哪些操作會觸發(fā)VMExit。VMExit 產(chǎn)生后，處理器把執(zhí)行權交給VMM 以完成控制，然后VMM 通過指令觸發(fā)VMEntry 返回原來的虛擬機或調度到另一個虛擬機。

VMCS 的數(shù)據(jù)結構中，每個虛擬機一個，加上虛擬機的各種狀態(tài)信息，共由3個部分組成，如之前的VMCS架構圖所示：

1)、Gueststate：該區(qū)域保存了虛擬機運行時的狀態(tài)，在VMEntry 時由處理器裝載;在VMExit時由處理器保存。它又由兩部分組成：

• Guest OS寄存器狀態(tài)。它包括控制寄存器、調試寄存器、段寄存器等各類寄存器的值。
• Guest OS非寄存器狀態(tài)。用它可以記錄當前處理器所處狀態(tài)，是活躍、停機(HLT)、關機(Shutdown)還是等待啟動處理器間中斷(Startup-IPI)。

2)、Hoststate：該區(qū)域保存了VMM 運行時的狀態(tài)，主要是一些寄存器值，在VMExit 時由處理器裝載。

3)、Control data：該區(qū)域包含幾部分數(shù)據(jù)信息，分別是：

• 虛擬機執(zhí)行控制域(VM-Execution control fields)。VMM 主要通過配置該區(qū)域來控制虛擬機在非根環(huán)境中的執(zhí)行行為?；卺樐_的虛擬機執(zhí)行控制。它決定在發(fā)生外部中斷或不可屏蔽中斷(NMI)要不要發(fā)生VMExit?；谔幚砥鞯奶摂M機執(zhí)行控制。它決定虛擬機執(zhí)行RDTSC、HLT、INVLPG 等指令時要不要發(fā)生VMExit。
• VMExit 控制域(VMExit control fields)。該區(qū)域控制VMExit 時的行為。當VMExit 發(fā)生后處理器是否處于64 位模式;當因為外部中斷發(fā)生VMExit 時，處理器是否響應中斷控制器并且獲得中斷向量號。VMM 可以用它來定制當VMExit 發(fā)生時要保存哪些MSR 并且裝載哪些MSR。MSR是CPU的模式寄存器，設置CPU的工作環(huán)境和標識cpu的工作狀態(tài)。
• VMEntry 控制域(VMEntry control fields)。該區(qū)域控制VMEntry 時的行為。它決定處理器VMEntry 后是否處于IA-32e 模式。與VMExit 的MSR控制類似，VMM 用它來定制當VMEntry 發(fā)生時要裝載哪些MSR。VMM 可以配置VMEntry 時通過虛擬機的IDT向其發(fā)送一個事件。在此可以配置將使用IDT 的向量、中斷類型(硬件或軟件中斷)、錯誤碼等。
• VMExit 信息域(VMExit information fields)。該只讀區(qū)域包括最近一次發(fā)生的VMExit 信息。試圖對該區(qū)域執(zhí)行寫操作將產(chǎn)生錯誤。。此處存放VMExit 的原因以及針對不同原因的更多描述信息、中斷或異常向量號、中斷類型和錯誤碼、通過 IDT 發(fā)送事件時產(chǎn)生的VMExit 信息、指令執(zhí)行時產(chǎn)生的 VMExit 信息。

有了VMCS結構后，對虛擬機的控制就是讀寫VMCS結構。后面對vCPU設置中斷，檢查狀態(tài)實際上都是在讀寫VMCS數(shù)據(jù)結構。

2、AMD-V技術

我們在上面小節(jié)介紹了 Intel 的硬件輔助虛擬化技術，那么 AMD 的硬件輔助虛擬化技術又有什么特點呢?AMD 從 2006 年便開始致力于硬件輔助虛擬化技術的研究，AMD-V全稱是AMD Virtualization，AMD-V從代碼的角度分別稱為 AMD和 SVM，AMD開發(fā)這項虛擬化技術時的內(nèi)部項目代碼為Pacifica，是AMD推出的一種硬件輔助虛擬化技術。

Intel VT-x 和 AMD-V 提供的特征大多功能類似，但名稱可能不一樣，如 Intel VT-x 將用于存放虛擬機狀態(tài)和控制信息的數(shù)據(jù)結構稱為 VMCS， 而 AMD-V 稱之為VMCB;Intel VT-x 將 TLB 記錄中用于標記 VM 地址空間的字段為 VPID， 而AMD-V 稱之為 ASID;Intel VT-x 將二級地址翻譯稱之為 EPT， AMD 則稱為 NPT，等等一些區(qū)別。盡管其相似性，Intel VT-x 和 AMD-V 在實現(xiàn)上對 VMM 而言是不兼容的。

AMD-V 在 AMD 傳統(tǒng)的x86-64 基礎上引入了“guest”操作模式。“guest”操作模式就是 CPU 在進入客操作系統(tǒng)運行時所處的模式。“guest”操作模式為客操作系統(tǒng)設定了一個不同于 VMM 的運行環(huán)境而不需要改變客操作系統(tǒng)已有的 4 個特權級機制，也就是說在“guest”模式下，客操作系統(tǒng)的內(nèi)核仍然運行在 Ring 0， 用戶程序仍然在 Ring 3。裸機上的操作系統(tǒng)和 VMM 所在的操作模式依然和傳統(tǒng)的 x86 中一樣，且稱之為“host”操作模式。VMM 通過執(zhí)行 VMRUN 指令使CPU 進入“guest”操作模式而執(zhí)行客操作系統(tǒng)的代碼;客操作系統(tǒng)在運行時，遇到敏感指令或事件，硬件就執(zhí)行 VMEXIT 行為，使 CPU 回到“host”模式而執(zhí)行 VMM 的代碼。VMRUN 指令運行的參數(shù)是一個物理地址指針，其指向一個 Virtual Machine Control Block (VMCB) 的內(nèi)存數(shù)據(jù)結構， 該數(shù)據(jù)結構包含了啟動和控制一個虛擬機的全部信息。

“guest”模式的意義在于其讓客操作系統(tǒng)處于完全不同的運行環(huán)境，而不需要改變客操作系統(tǒng)的代碼。“guest”模式的設立在系統(tǒng)中建立了一個比 Ring 0 更強的特權控制，即客操作系統(tǒng)的 Ring 0 特權必須讓位于 VMM 的 Ring 0 特權。客操作系統(tǒng)上運行的那些特權指令，即便是在 Ring 0 上也變的可以被 VMM 截取的了,“Ring Deprivileging”由硬件自動搞定。此外，VMM 還可以通過 VMCB 中的各種截取控制字段選擇性的對指令和事情進行截取，或設置有條件的截取，所有的敏感的特權或非特權指令都在其控制之中。

VMCB 數(shù)據(jù)結構主要包含如下內(nèi)容 :

1. 用于描述需要截取的指令或事件的字段列表。其中 :

• 2 個 16 位的字段用于控制對 CR 類控制寄存器讀寫的截取
• 2 個 16 位的字段用于控制對 DR 類調試寄存器的讀寫的截取
• 一個 32 位的字段用于控制 exceptions 的截取
• 一個 64 位的字段用于控制各種引起系統(tǒng)狀態(tài)變化的事件或指令的截取，如 INTR， NMI， SMI 等事 件， HLT， CPUID，INVD/WBINVD，INVLPG/INVLPGA，MWAIT 等指令， 還包括兩位分別標志是否對 IO 指令和 MSR 寄存器的讀寫進行控制
• 指向IO端口訪問控制位圖和MSR讀寫控制位圖的物理地址指針字段。該位圖用于差別性地控制虛擬機對不同的 IO 端口和 MSR 寄存器進行讀寫訪問。
• 描述虛擬機CPU狀態(tài)的信息。包含除通用寄存器外的大部分控制寄存器，段寄存器，描述符表寄存器，代碼指針等。RAX 寄存器也在其中，因為 RAX 在 VMM 執(zhí)行 VMRUN 時是用來存放VMCB 物理地址的。對于段寄存器，該信息中還包含段寄存器對應的段描述符，也就那些傳統(tǒng) x86 上對軟件隱藏的信息。
• 對虛擬機的執(zhí)行進行控制的字段。主要是控制虛擬機中斷和 NPT 的字段。
• 指示虛擬機進入“guest”模式后要執(zhí)行的行動的字段。包括用來描述 VMM 向虛擬機注入的中斷或異常的信息的字段。注入的中斷或異常在 VMRUN 進入“guest”模式后立即執(zhí)行，就象完全發(fā)生在虛擬機內(nèi)一樣。
• 提供VMEXIT信息的字段。包括導致 VMEXIT 的事件的代碼，異?；蛑袛嗟奶柎a，page fault 的線性地址，被截獲的指令的編碼等。

VMCB 以及其涉及的控制位圖，完全通過物理地址進行指向，這就避免了“guest”和“host”模式切換的過程依賴于“guest”空間的線性地址 ( 傳統(tǒng)操作系統(tǒng)內(nèi)用戶空間到內(nèi)核的切換確實依賴于 IDT 中提供的目標的線性地址 )，使得 VMM 可以采用和客操作系統(tǒng)完全不同的地址空間。

VMCB 的內(nèi)容在物理上被分成了倆部分，其中用于保存虛擬機 CPU 狀態(tài)的信息占據(jù) 2048 字節(jié)的后半部分，我們可稱之為 VMCB.SAVE;其他信息，占據(jù)前 1024 字節(jié)范圍，我們可稱之為 VMCB.CONTROL。

VMRUN 命令以 VMCB 為參數(shù)，使CPU 進入“guest”狀態(tài)， 按 VMCB.SAVE 的內(nèi)容恢復虛擬機的 CPU 寄存器狀態(tài)，并按 VMCB.SAVE 中 CS:RIP 字段指示的地址開始執(zhí)行虛擬機 的代碼， 并將之前 VMM 的 CPU 狀態(tài)保存在MSR_VM_HSAVE_PA 寄存器所指向的物理內(nèi)存區(qū)域中。VMRUN 所保存的 VMM 的 CPU狀態(tài)的 CS:RIP 實際上就是 VMM 的代碼中 VMCB 的下一個指令，當虛擬機因某種原因而導致 #VMEXIT 時，VMM 會從 VMRUN 后的一條指令開始執(zhí)行。CPU 執(zhí)行 #VMEXIT 行為時，會自動將虛擬機的狀態(tài)保存到 VMCB.SAVE 區(qū)，并從 MSR_VM_HSAVE_PA 指定的區(qū)域加載 VMM 的 CPU 狀態(tài)。

VMLOAD 和 VMSAVE 指令是對 VMRUN 的補充，他們用來加載和恢復一些并不需要經(jīng)常使用的 CPU 狀態(tài)，如 FS， GS， TR， LDTR 寄存器以及其相關的隱含的描述符寄存器的內(nèi)容，VMLOAD 和 VMSAVE 可以讓 VMM 的實現(xiàn)對“guest”進入和退出的過程進行優(yōu)化，讓多數(shù)情況下只使用 VMRUN 進行最少的狀態(tài)保存和恢復。

VMMCALL 指令是 AMD-V 為客操作系統(tǒng)內(nèi)核提供的明確的功能調用接口，類似于 syscall 指令 ( 從 Ring3 到 Ring 0)， VMMCALL 讓客操作系統(tǒng)直接執(zhí)行 #VMEXIT 而進入 VMM，請求VMM 的服務。

3、總結

回顧一下CPU虛擬化技術的實現(xiàn)，純軟件的CPU虛擬化使用了陷入-模擬的模式來模擬特權指令，而在x86架構中由于只能模擬特權指令，無法模擬某些敏感指令而無法實現(xiàn)完全的虛擬化。(在x86架構中，特權指令一定是敏感指令，但是敏感指令比特權指令多，造成某系敏感指令不是特權指令而無法模擬，使得CPU虛擬化異常)，而硬件輔助虛擬化引入了根模式(root operation)和非根模式(none-root operation)，每種模式都有ring0-3的四級特權級別。所以，在硬件輔助虛擬化中，陷入的概念實際上被VM-EXIT操作取代了，它代表從非根模式退出到根模式，而從根模式切換到非根模式是VM-Entry操作。