Intel VMX

轉自：
http://pengsunshine.blogspot.com/2008/03/intel-vmx.html

Intel提供了處理器級的VMX(Virtual-Machine Extensions)，從硬件層面支持VT技術。本文及後續的幾篇文章將結合"Intel 64 and IA-32 Architectures Software developer's Manual (Volume 3B)"和自己使用Xen的經驗寫些東西，算是學習筆記吧，不足之處在所難免，哪位看到了希望能共同交流提高 (^_^)。

先看一下虛擬機的體系結構：Intel VMX的體系結構可劃分為兩層：VMM和VM。

• VMM(Virtual-Machine Monitors)作為host，具有對processor(s)和平台硬件的完全控制權限。它為guest提供VCPU(virtual processor)的抽象，並允許guest直接運行在邏輯處理器（logical processor）上。VMM具有對處理器資源、物理內存、中斷和IO的選擇控制的權利。（舉例：Xen就是一種VMM。）
• VM(Virtual-Machine)相應地作為guest，其實是提供了一種guest軟件環境：它維護一個棧，其中包含了OS和application software。其每個操作都獨立於其他的VM，並且使用由同一個物理平台所提供的對處理器、內存、硬盤、顯卡、IO訪問的統一接口。此外，這個棧並不知道VMM的存在。運行於VM中的軟件其權限是受限的，這樣才能保障VMM對整個平台資源的完全控制。（舉相應的例子：Xen上跑的Guest OS就是VM。）

下面來簡要介紹一下VMX operation。支持虛擬化的處理器其虛擬化相關的操作被稱為VMX operation 。它分為兩類：VMX root operation 和 VMX non-root operation 。通常來說，VMM 運行於 VMX root operation 而 guest 運行於 VMX non-root operation 。兩種operation之間的轉換被稱為VMX transitions：從root到non-root被稱為VM entries，而從non-root到root則稱為VM exits。簡單可如下圖所示：




處於VMX root operation的CPU其行為與在VMX operation之外是基本一樣的，最根本的不同之處在於其增加了一套新的VMX指令集，且能存儲到特定控制寄存器的值是有限的。而處於VMX non-root operation的CPU起行為是受限的，且經過了修改以幫助實現virtualization。與其普通的operation不同，特定的指令（包括新增的VMCALL指令）和事件將導致VM exits從而進入VMM：由於這些VM exits代替了以前正常的行為，所以在VMX non-root operation中的軟件的功能是受限的（也正是這種限制保證了VMM能夠始終具有控制處理器資源的能力）。

從 guest的角度，沒有任何一個Guest可見的位來指示一個邏輯處理器是否處於VMX non-root operation，這樣VMX就能保證guest並不知道其正在運行於一個VM中。即便是CPL(current privilege level)為0，VMX operation也給guest加了限制，這樣guest software就可以完全不必改變其原始的設計，這也簡化了VMM的開發。

現在就可以看一下VMM與Guest之間的交互了。大體的流程是這樣子的：

1. oftware執行VMXON指令進入VMX operation
2. 通過VM entries，VMM就可以進入VM的guest中（VMM通過VMLANCH和VMRESUME來觸發VM entry，並通過VM exits重新獲得控制權）
3. VM exits將控制權轉移到由VMM定義的entry point（VMM可以採取適當的動作來觸發VM exit，然後再使用一個VM entry就可以返回到VM中）。
4. 最後，VMM通過VMXOFF指令關閉自身並退出VMX operation

既然已經涉及到VMX指令，下面又引出一個非常重要的數據結構VMCS(Virtual-Machine Control Structure)，這個數據結構在下文中還要非常詳細地介紹。對VMCS的訪問是由一組被稱作VMCS pointer（每個logical processor有一個VMCS pointer）的處理器狀態來管理的。VMCS pointer是一個64位的VMCS地址，可通過VMPTRST和VMPTRLD指令對其進行讀寫；VMM可以使用VMREAD、VMWRITE、 VMCLEAR指令對VMCS進行配置。對VMM所管理的每個VM，VMM可以使用不同的VMCS；且對VM中的每個logical processor(or vcpu)，VMM也可以為每個vcpu使用不同的VMCS。

VMX operation需要處理器支持，那麼如何從軟件層面斷定一個處理器是否支持VMX operation：通過CPUID --- 如果CPUID.1:ECX.VMX[bit 5] = 1，那說明該CPU支持VMX operation。現有的VMX體系結構的設計具有良好的可擴展性，software可以使用一個VMX capability MSRs集來獲得VMX新增的擴展特性。

現在再來看看如何使能和進入VMX operation：進入VMX operation之前，system software通過設置CR4.VMXE[bit 13] = 1 來使能VMX，之後就可以通過VMXON指令來進入VMX operation。如果CR4.VMXE = 0，VMXON將導致一個invalid-opcode異常(#UD)，而且一旦進入VMX operation，CR4.VMXE就無法在此中被清零；system software通過VMXOFF離開VMX operation，只有在VMX operation外部CR4.VMXE才能被清零。

VMXON由IA32_FEATURE_CONTROL MSR (MSR address 3AH)所控制，當一個logical processor被rest時，該MSR被清零。此MSR的相關位如下：

• Bit 0 is the lock bit. 若該位被清零，VMXON就會觸發一個general-protection exception；若該位被置1，向此MSR進行WRMSR也會觸發general-protection exception，直到a power up reset condition發生時該MSR才能被修改。系統BIOS可以通過該比特位來禁用VMX，若要打開VMX支持，BIOS必須設置該MSR的bit 0, bit 1, bit 2。
• Bit 1 enables VMXON in SMX operation. 若該位被清零，SMX operation中的VMXON將觸發一個general-protection exception。若在不同時支持VMX和SMX的logical processors上試圖設置該位，將會觸發general-protection exceptions。（若一個logical processor自從最後一次執行GETSEC[SENTER]為止GETSEC[SEXIT]還未被執行，則稱其in SMX operation）
• * Bit 2 enables VMXON outside SMX operation. 若該位被清零，在SMX operation外部進行VMXON將觸發一個general-protection exception。在不支持VMX的logical processors上試圖設置該位將觸發general-protection exceptions。（若一個logical processor還未執行GETSEC[SENTER]或最後一次執行過GETSEC[SENTER]後又執行了GETSEC[SEXIT]，則稱其 outside SMX operation）

在執行VMXON之前，software應該分配出（保留）一塊4KB對齊的內存區域供logical processor用以支持VMX operation。這個內存區域就被稱為VMXON region。

最後，簡單說說VMX operation上的限制：VMX operation對processor operation作了一些限制，諸如：

• 在VMX operation中，處理器將對CR0和CR4的某些具體位填充固定值（CR0.PE, CR0.NE, CR0.PG, cR4.VMXE的值都必須為1）。如果這些位中任何一位的值並不是它應該的值，VMXON就會fail。在VMX operation中任何試圖使用CLTS, LMSW, MOV CR等指令改變這些位的值都將導致general-protection exception。VM entry或VM exit都無法將這些位的值設置為其不應該的值。（CR0.PE和CR0.PG的限制就說明了VMX operation必須處於paged protected mode，這也使得guest software無法運行於unpaged protected mode或real-address mode中）
• 若logical processor處於A20M mode，VMXON會fail。一旦處理器進入VMX operation， A20M的中斷就會被block，這樣VMX operation中A20M mode當然是不可能的了。
• 只要logical processor處於VMX root operation，INIT signal就會被block；在VMX non-root operation中它是不會被block的，此時INITs將觸發VM exits。

從源碼級別，Xen裡面的vmx.c描述的就是Intel VMX體系結構相關的VM Exits支持：對照著Intel的Manual可以找到Xen對其的具體實現。