CPU硬件辅助虚拟化技术

作者：启迪云Tuscloud 2020-03-06 15:00:18

云计算

虚拟化 目前主要有Intel的VT-x和AMD的AMD-V这两种技术。其核心思想都是通过引入新的指令和运行模式，使VMM和Guest OS分别运行在不同模式（ROOT模式和非ROOT模式）下，且Guest OS运行在Ring 0下。通常情况下，Guest OS的核心指令可以直接下达到计算机系统硬件执行，而不需要经过VMM。当Guest OS执行到特殊指令的时候，系统会切换到VMM，让VMM来处理特殊指令。

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目前主要有Intel的VT-x和AMD的AMD-V这两种技术。其核心思想都是通过引入新的指令和运行模式，使VMM和Guest OS分别运行在不同模式(ROOT模式和非ROOT模式)下，且Guest OS运行在Ring 0下。通常情况下，Guest OS的核心指令可以直接下达到计算机系统硬件执行，而不需要经过VMM。当Guest OS执行到特殊指令的时候，系统会切换到VMM，让VMM来处理特殊指令。

1、Intel VT-x技术

为弥补x86处理器的虚拟化缺陷，市场的驱动催生了VT-x，Intel推出了基于x86架构的硬件辅助虚拟化技术Intel VT(Intel Virtualization Technology)。

目前，Intel VT技术包含CPU、内存和I/O三方面的虚拟化技术。CPU硬件辅助虚拟化技术，分为对应安腾架构的VT-i(Intel Virtualization Technology for ltanium)和对应x86架构的VT-x(Intel Virtualization Technologyfor x86)两个版本。内存硬件辅助虚拟化技术包括EPT(Extended Page Table)技术。I/0硬件辅助虚拟化技术的代表hatelVY-d(Intel Virtualization Technology for Directed I/0)。

IntelVT-x技术解决了早期x86架构在虚拟化方面存在的缺陷，可使未经修改的GuestOS运行在特权级0，同时减少VMM对Guest OS的干预。Intel VT-d技术通过使VMM将特定I/O设备直接分配给特定的Guest OS，减少VMM对I/O处理的管理，不但加速数据传输，且消除了大部分性能开销。如下图所示。CPU硬件辅助虚拟化技术简要说明流程图：

效法IBM 大型机，VT-x提供了2 个运行环境：根(Root)环境和非根(Non-root)环境。根环境专门为VMM准备，很像原来没有VT-x 的x86，只是多了对VT-x 支持的几条指令。非根环境作为一个受限环境用来运行多个虚拟机。

如上图所示，根操作模式与非根操作模式都有相应的特权级0至特权级3。VMM运行在根模式的特权级0，GuestOS的内核运行在非根模式的特权级0，GuestOS的应用程序运行在非根模式的特权级3。运行环境之间相互转化，从根环境到非根环境叫VMEntry;从非根环境到根环境叫VMExit。VT-x定义了VMEntry操作，使CPU由根模式切换到非根模式，运行客户机操作系统指令。若在非根模式执行了敏感指令或发生了中断等，会执行VMExit操作，切换回根模式运行VMM。

根模式与非根模式之问的相互转换是通过VMX操作实现的。VMM 可以通过VMXON 和VMXOFF打开或关闭VT-x。如下图所示：

VMX操作模式流程：

1)、VMM执行VMXON指令进入VMX操作模式。

2)、VMM可执行VMLAUNCH指令或VMRESUME指令产生VM Entry操作，进入到Guest OS，此时CPU处于非根模式。

3)、Guest 0S执行特权指令等情况导致VMExit的发生，此时将陷入VMM，CPU切换为根模式。VMM根据VMExit的原因作出相应处理，处理完成后将转到2)，继续运行GuestOS。

4)、VMM可决定是否退出VMX操作模式，通过执行VMXOFF指令来完成。

为更好地支持CPU虚拟化，VMX新定义了虚拟机控制结构VMCS(Virtual Machine ControlStructure)。VMCS是保存在内存中的数据结构，其包括虚拟CPU的相关寄存器的内容及相关的控制信息。CPU在发生VM Entry或VMExit时，都会查询和更新VMCS。VMM也可通过指令来配置VMCS，达到对虚拟处理器的管理。VMCS架构图如下图所示：

每个虚拟处理器都需将VMCS与内存中的一块区域联合起来，此区域称为VMCS区域。对VMCS区域的操纵是通过VMCS指针来实现的，这个指针是一个指向VMCS的64位的地址值。VMCS区域是一个最大不超过4KB的内存块，且需4KB对齐。

VMCS区域分为三个部分：偏移0起是VMCS版本标识，通过不同的版本号，CPU可维护不同的VMCS数据格式;偏移4起是VMX中止指示器，在VMX中止发生时，CPU会在此处存入中止的原因;偏移8起是VMCS数据区，这一部分控制VMX非根操作及VMX切换。

VMCS 的数据区包含了VMX配置信息：VMM在启动虚拟机前配置其哪些操作会触发VMExit。VMExit 产生后，处理器把执行权交给VMM 以完成控制，然后VMM 通过指令触发VMEntry 返回原来的虚拟机或调度到另一个虚拟机。

VMCS 的数据结构中，每个虚拟机一个，加上虚拟机的各种状态信息，共由3个部分组成，如之前的VMCS架构图所示：

1)、Gueststate：该区域保存了虚拟机运行时的状态，在VMEntry 时由处理器装载;在VMExit时由处理器保存。它又由两部分组成：

• Guest OS寄存器状态。它包括控制寄存器、调试寄存器、段寄存器等各类寄存器的值。
• Guest OS非寄存器状态。用它可以记录当前处理器所处状态，是活跃、停机(HLT)、关机(Shutdown)还是等待启动处理器间中断(Startup-IPI)。

2)、Hoststate：该区域保存了VMM 运行时的状态，主要是一些寄存器值，在VMExit 时由处理器装载。

3)、Control data：该区域包含几部分数据信息，分别是：

• 虚拟机执行控制域(VM-Execution control fields)。VMM 主要通过配置该区域来控制虚拟机在非根环境中的执行行为。基于针脚的虚拟机执行控制。它决定在发生外部中断或不可屏蔽中断(NMI)要不要发生VMExit。基于处理器的虚拟机执行控制。它决定虚拟机执行RDTSC、HLT、INVLPG 等指令时要不要发生VMExit。
• VMExit 控制域(VMExit control fields)。该区域控制VMExit 时的行为。当VMExit 发生后处理器是否处于64 位模式;当因为外部中断发生VMExit 时，处理器是否响应中断控制器并且获得中断向量号。VMM 可以用它来定制当VMExit 发生时要保存哪些MSR 并且装载哪些MSR。MSR是CPU的模式寄存器，设置CPU的工作环境和标识cpu的工作状态。
• VMEntry 控制域(VMEntry control fields)。该区域控制VMEntry 时的行为。它决定处理器VMEntry 后是否处于IA-32e 模式。与VMExit 的MSR控制类似，VMM 用它来定制当VMEntry 发生时要装载哪些MSR。VMM 可以配置VMEntry 时通过虚拟机的IDT向其发送一个事件。在此可以配置将使用IDT 的向量、中断类型(硬件或软件中断)、错误码等。
• VMExit 信息域(VMExit information fields)。该只读区域包括最近一次发生的VMExit 信息。试图对该区域执行写操作将产生错误。。此处存放VMExit 的原因以及针对不同原因的更多描述信息、中断或异常向量号、中断类型和错误码、通过 IDT 发送事件时产生的VMExit 信息、指令执行时产生的 VMExit 信息。

有了VMCS结构后，对虚拟机的控制就是读写VMCS结构。后面对vCPU设置中断，检查状态实际上都是在读写VMCS数据结构。

2、AMD-V技术

我们在上面小节介绍了 Intel 的硬件辅助虚拟化技术，那么 AMD 的硬件辅助虚拟化技术又有什么特点呢?AMD 从 2006 年便开始致力于硬件辅助虚拟化技术的研究，AMD-V全称是AMD Virtualization，AMD-V从代码的角度分别称为 AMD和 SVM，AMD开发这项虚拟化技术时的内部项目代码为Pacifica，是AMD推出的一种硬件辅助虚拟化技术。

Intel VT-x 和 AMD-V 提供的特征大多功能类似，但名称可能不一样，如 Intel VT-x 将用于存放虚拟机状态和控制信息的数据结构称为 VMCS， 而 AMD-V 称之为VMCB;Intel VT-x 将 TLB 记录中用于标记 VM 地址空间的字段为 VPID， 而AMD-V 称之为 ASID;Intel VT-x 将二级地址翻译称之为 EPT， AMD 则称为 NPT，等等一些区别。尽管其相似性，Intel VT-x 和 AMD-V 在实现上对 VMM 而言是不兼容的。

AMD-V 在 AMD 传统的x86-64 基础上引入了“guest”操作模式。“guest”操作模式就是 CPU 在进入客操作系统运行时所处的模式。“guest”操作模式为客操作系统设定了一个不同于 VMM 的运行环境而不需要改变客操作系统已有的 4 个特权级机制，也就是说在“guest”模式下，客操作系统的内核仍然运行在 Ring 0， 用户程序仍然在 Ring 3。裸机上的操作系统和 VMM 所在的操作模式依然和传统的 x86 中一样，且称之为“host”操作模式。VMM 通过执行 VMRUN 指令使CPU 进入“guest”操作模式而执行客操作系统的代码;客操作系统在运行时，遇到敏感指令或事件，硬件就执行 VMEXIT 行为，使 CPU 回到“host”模式而执行 VMM 的代码。VMRUN 指令运行的参数是一个物理地址指针，其指向一个 Virtual Machine Control Block (VMCB) 的内存数据结构， 该数据结构包含了启动和控制一个虚拟机的全部信息。

“guest”模式的意义在于其让客操作系统处于完全不同的运行环境，而不需要改变客操作系统的代码。“guest”模式的设立在系统中建立了一个比 Ring 0 更强的特权控制，即客操作系统的 Ring 0 特权必须让位于 VMM 的 Ring 0 特权。客操作系统上运行的那些特权指令，即便是在 Ring 0 上也变的可以被 VMM 截取的了,“Ring Deprivileging”由硬件自动搞定。此外，VMM 还可以通过 VMCB 中的各种截取控制字段选择性的对指令和事情进行截取，或设置有条件的截取，所有的敏感的特权或非特权指令都在其控制之中。

VMCB 数据结构主要包含如下内容 :

1. 用于描述需要截取的指令或事件的字段列表。其中 :

• 2 个 16 位的字段用于控制对 CR 类控制寄存器读写的截取
• 2 个 16 位的字段用于控制对 DR 类调试寄存器的读写的截取
• 一个 32 位的字段用于控制 exceptions 的截取
• 一个 64 位的字段用于控制各种引起系统状态变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， 还包括两位分别标志是否对 IO 指令和 MSR 寄存器的读写进行控制
• 指向IO端口访问控制位图和MSR读写控制位图的物理地址指针字段。该位图用于差别性地控制虚拟机对不同的 IO 端口和 MSR 寄存器进行读写访问。
• 描述虚拟机CPU状态的信息。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，代码指针等。RAX 寄存器也在其中，因为 RAX 在 VMM 执行 VMRUN 时是用来存放VMCB 物理地址的。对于段寄存器，该信息中还包含段寄存器对应的段描述符，也就那些传统 x86 上对软件隐藏的信息。
• 对虚拟机的执行进行控制的字段。主要是控制虚拟机中断和 NPT 的字段。
• 指示虚拟机进入“guest”模式后要执行的行动的字段。包括用来描述 VMM 向虚拟机注入的中断或异常的信息的字段。注入的中断或异常在 VMRUN 进入“guest”模式后立即执行，就象完全发生在虚拟机内一样。
• 提供VMEXIT信息的字段。包括导致 VMEXIT 的事件的代码，异常或中断的号码，page fault 的线性地址，被截获的指令的编码等。

VMCB 以及其涉及的控制位图，完全通过物理地址进行指向，这就避免了“guest”和“host”模式切换的过程依赖于“guest”空间的线性地址 ( 传统操作系统内用户空间到内核的切换确实依赖于 IDT 中提供的目标的线性地址 )，使得 VMM 可以采用和客操作系统完全不同的地址空间。

VMCB 的内容在物理上被分成了俩部分，其中用于保存虚拟机 CPU 状态的信息占据 2048 字节的后半部分，我们可称之为 VMCB.SAVE;其他信息，占据前 1024 字节范围，我们可称之为 VMCB.CONTROL。

VMRUN 命令以 VMCB 为参数，使CPU 进入“guest”状态， 按 VMCB.SAVE 的内容恢复虚拟机的 CPU 寄存器状态，并按 VMCB.SAVE 中 CS:RIP 字段指示的地址开始执行虚拟机 的代码， 并将之前 VMM 的 CPU 状态保存在MSR_VM_HSAVE_PA 寄存器所指向的物理内存区域中。VMRUN 所保存的 VMM 的 CPU状态的 CS:RIP 实际上就是 VMM 的代码中 VMCB 的下一个指令，当虚拟机因某种原因而导致 #VMEXIT 时，VMM 会从 VMRUN 后的一条指令开始执行。CPU 执行 #VMEXIT 行为时，会自动将虚拟机的状态保存到 VMCB.SAVE 区，并从 MSR_VM_HSAVE_PA 指定的区域加载 VMM 的 CPU 状态。

VMLOAD 和 VMSAVE 指令是对 VMRUN 的补充，他们用来加载和恢复一些并不需要经常使用的 CPU 状态，如 FS， GS， TR， LDTR 寄存器以及其相关的隐含的描述符寄存器的内容，VMLOAD 和 VMSAVE 可以让 VMM 的实现对“guest”进入和退出的过程进行优化，让多数情况下只使用 VMRUN 进行最少的状态保存和恢复。

VMMCALL 指令是 AMD-V 为客操作系统内核提供的明确的功能调用接口，类似于 syscall 指令 ( 从 Ring3 到 Ring 0)， VMMCALL 让客操作系统直接执行 #VMEXIT 而进入 VMM，请求VMM 的服务。

3、总结

回顾一下CPU虚拟化技术的实现，纯软件的CPU虚拟化使用了陷入-模拟的模式来模拟特权指令，而在x86架构中由于只能模拟特权指令，无法模拟某些敏感指令而无法实现完全的虚拟化。(在x86架构中，特权指令一定是敏感指令，但是敏感指令比特权指令多，造成某系敏感指令不是特权指令而无法模拟，使得CPU虚拟化异常)，而硬件辅助虚拟化引入了根模式(root operation)和非根模式(none-root operation)，每种模式都有ring0-3的四级特权级别。所以，在硬件辅助虚拟化中，陷入的概念实际上被VM-EXIT操作取代了，它代表从非根模式退出到根模式，而从根模式切换到非根模式是VM-Entry操作。

新闻名称：CPU硬件辅助虚拟化技术
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