Intel和AMD的兩種CPU硬件輔助虛擬化技術(shù)

目前主要有Intel的VT-x和AMD的AMD-V這兩種技術(shù)。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(dāng)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(shù)

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

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

IntelVT-x技術(shù)解決了早期x86架構(gòu)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(quán)級0，同時減少VMM對Guest OS的干預(yù)。Intel VT-d技術(shù)通過使VMM將特定I／O設(shè)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(shù)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(zhǔn)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(yīng)的特權(quán)級0至特權(quán)級3。VMM運行在根模式的特權(quán)級0，GuestOS的內(nèi)核運行在非根模式的特權(quán)級0，GuestOS的應(yīng)用程序運行在非根模式的特權(quán)級3。運行環(huán)境之間相互轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換是通過VMX操作實現(xiàn)的。VMM 可以通過VMXON 和VMXOFF打開或關(guān)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(quán)指令等情況導(dǎo)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(yīng)處理，處理完成后將轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)VMCS(Virtual Machine ControlStructure)。VMCS是保存在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其包括虛擬CPU的相關(guān)寄存器的內(nèi)容及相關(guān)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(gòu)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(biāo)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(quán)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(diào)度到另一個虛擬機。

VMCS 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(gòu)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(diào)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(dāng)前處理器所處狀態(tài)，是活躍、停機（HLT）、關(guān)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?jǐn)?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(dāng)VMExit 發(fā)生后處理器是否處于64 位模式；當(dāng)因為外部中斷發(fā)生VMExit 時，處理器是否響應(yīng)中斷控制器并且獲得中斷向量號。VMM 可以用它來定制當(dāng)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(shè)置CPU的工作環(huán)境和標(biāo)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(dāng)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(jié)構(gòu)后，對虛擬機的控制就是讀寫VMCS結(jié)構(gòu)。后面對vCPU設(shè)置中斷，檢查狀態(tài)實際上都是在讀寫VMCS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2、AMD-V技術(shù)

我們在上面小節(jié)介紹了 Intel 的硬件輔助虛擬化技術(shù)，那么 AMD 的硬件輔助虛擬化技術(shù)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(shù)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(shù)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(shù)。

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(jié)構(gòu)稱為 VMCS， 而 AMD-V 稱之為VMCB；Intel VT-x 將 TLB 記錄中用于標(biāo)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(chǔ)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(shè)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(quán)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(jié)構(gòu)， 該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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?！癵uest”模式的設(shè)立在系統(tǒng)中建立了一個比 Ring 0 更強的特權(quán)控制，即客操作系統(tǒng)的 Ring 0 特權(quán)必須讓位于 VMM 的 Ring 0 特權(quán)?？筒僮飨到y(tǒng)上運行的那些特權(quán)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(shè)置有條件的截取，所有的敏感的特權(quán)或非特權(quán)指令都在其控制之中。

VMCB 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(diào)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(biāo)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(yīng)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(dǎo)致 VMEXIT 的事件的代碼，異常或中斷的號碼，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(biāo)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(fù)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(dāng)虛擬機因某種原因而導(dǎo)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(fù)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(guān)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(fù)。

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(diào)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(wù)。

3、總結(jié)

回顧一下CPU虛擬化技術(shù)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(quán)指令，而在x86架構(gòu)中由于只能模擬特權(quán)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(gòu)中，特權(quán)指令一定是敏感指令，但是敏感指令比特權(quán)指令多，造成某系敏感指令不是特權(quán)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(quán)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。