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3. CPU 虚拟化

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equation314 edited this page Sep 16, 2020 · 2 revisions

Intel VMX 简介

Intel VT-x 技术或 VMX (Virtual-Machine eXtensions) 指令扩展为 x86 处理器提供了硬件虚拟化支持。

启用虚拟化后的处理器处于一种特殊的模式，被称为 VMX operation。VMX operation 又可分为 VMX root operation 和 VMX non-root operation，分别对应 Host 模式与 Guest 模式。从 VMX root operation 切换到 VMX non-root operation 即 VM Entry，反之，从 VMX non-root operation 切换到 VMX root operation 即 VM Exit。

VMX 中有个重要的结构：Virtual-Machine Control Structure (VMCS)，可认为是一段特殊的内存区域，用于对 root/non-root 模式的切换进行控制、保存 guest/host 的状态等。其中可以存储许多字段，包括以下 4 类，访问它们需要用到专门的指令(VMREAD/VMWRITE)：

  1. 控制字段：对 VM entry/exit/execution 时的行为进行配置；
  2. 只读字段：提供 VM Exit 时的一些信息；
  3. Guest 状态：存放 Guest 的一些控制寄存器、段寄存器、RIP、RSP 等，会在 VM Entry 时载入进 CPU，VM Exit 时保存到 VMCS；
  4. Host 状态：存放 Host 的一些控制寄存器、段寄存器等、RIP、RSP 等，会在 VM Exit 时载入进 CPU，VM Entry 时保存到 VMCS。

VMX 提供了一些特殊指令，常用的几条如下：

  • VMXON：进入 VMX (root) operation
  • VMXOFF：离开 VMX operation
  • VMPTRLD：激活给定物理地址上的 VMCS
  • VMCLEAR：清理给定物理地址上的 VMCS
  • VMREAD：读 VMCS 字段
  • VMWRITE：写 VMCS 字段
  • VMLAUNCH/VMRESUME：进入 VMX non-root operation，首次进入要用 VMLAUNCH，之后每次用 VMRESUME

官方文档：

Guest 启动流程

基于 Intel VMX，创建和启动一个 Guest 和 vCPU 的流程如下：

  1. RVM_GUEST_CREATE：
    • 分配 VMXON 所需的 4096 字节大小的物理内存；
    • 执行 VMXON，进入 VMX root operation；
  2. RVM_VCPU_CREATE：
    • 分配 VMCS 所需的 4096 字节大小的一页物理内存；
    • 执行 VMCLEAR 和 VMPTRLD，激活该地址上的 VMCS；
    • 对 VMCS 进行初始配置，包括控制字段、Guest 状态、Host 状态；
  3. RVM_VCPU_RESUME：
    • 保存 Host 通用寄存器到栈上，并载入 Guest 通用寄存器；
    • 执行 VMLAUNCH/VMRESUME，进入 VMX non-root operation，开始 Guest 的运行；
  4. 发生 VM Exit：
    • 处理器自动回到 VMX root operation；
    • 保存 Guest 通用寄存器到栈上，并恢复 Host 通用寄存器；
    • 根据 VMCS 中的 Exit reason 字段，进行相应的处理；
    • 回到第 3 步继续执行 Guest；
  5. 结束：
    • 执行 VMCLEAR，清理 VMCS；
    • 执行 VMXOFF，退出 VMX operation。

其中，在第 4 步最后也可不回第 3 步，而是返回到用户态，由用户程序来处理 VM Exit，一般用于 I/O 操作的模拟。考虑到这种情况，用户程序执行 RVM_VCPU_RESUME 时的流程可以用下图表示：

RVM_VCPU_RESUME

运行在 ring3 的用户程序通过系统调用进入 ring0，此时处理器也处于 VMX root operation，通过 VMLAUNCH/VMRESUME 进入 VMX non-root operation，开始 Guest 的运行。

Guest 运行过程中会因某些原因发生 VM Exit，自动退回到 VMX root operation。对于可以完全由 RVM 处理的 VM Exit，处理完后就可以继续执行 VMRESUME 来运行 Guest；不过也有一些 VM Exit 还需由用户程序处理，一般是 I/O 操作，这时就进行系统调用返回，将 I/O 操作转发给用户程序，回到 ring3 继续执行。

用户程序处理完后，可再次进行系统调用，重复刚才的流程。

VM Exit

类似于对中断处理，发生 VM Exit 后也需要根据退出原因进行相应的处理。退出原因保存在 VMCS 的 Exit reason 字段。RVM 中处理的主要几类 VM Exit 如下：

  • External interrupt：启用 VMX 后，外部中断不再使用基于 IDT 的中断处理流程，而是会发生该类 VM Exit，此时需要手动跳转到中断处理例程。
  • CPUID：Guest 执行 CPUID 指令，获取处理器的一些信息。
  • VMCALL：Guest 执行 VMCALL 指令，进行一次 hypercall。
  • I/O instruction：Guest 执行 IN/OUT 等 I/O 指令，用于设备的模拟。
  • EPT violation：Guest 访问 EPT 中没有映射的物理地址，可用于实现 EPT 延迟映射或 MMIO。
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