Intel-VT 硬件辅助虚拟化技术详解

2005 年冬天，英特尔带来了业内首个面向台式机的硬件辅助虚拟化技术 Intel-VT 及相关的处理器产品，从而拉开了 IA 架构虚拟化技术应用的新时代大幕。支持虚拟化技术的处理器带有特别优化过的指令集来自动控制虚拟化过程，从而极大简化 VMM 的设计，VMM 的性能也能得到很大提高。其中 IA-32 处理器的虚拟化技术称为 VT-x，安腾处理器的虚拟化技术称为 VT-i。AMD 公司也推出了自己的虚拟化解决方案，称为 AMD-V。尽管 Intel-VT 和 AMD-V 并不完全相同，但是基本思想和数据结构却是相似的，本文只讨论 Intel-VT-x 技术。

新增的两种操作模式

VT-x 为 IA 32 处理器增加了两种操作模式：VMX root operation 和 VMX non-root operation。VMM 自己运行在 VMX root operation 模式，VMX non-root operation 模式则由 Guest OS 使用。两种操作模式都支持 Ring 0 ~ Ring 3 这 4 个特权级，因此 VMM 和 Guest OS 都可以自由选择它们所期望的运行级别。

这两种操作模式可以互相转换。运行在 VMX root operation 模式下的 VMM 通过显式调用 VMLAUNCH 或 VMRESUME 指令切换到 VMX non-root operation 模式，硬件自动加载 Guest OS的上下文，于是 Guest OS 获得运行，这种转换称为 VM entry。Guest OS 运行过程中遇到需要 VMM 处理的事件，例如外部中断或缺页异常，或者主动调用 VMCALL 指令调用 VMM 的服务的时候（与系统调用类似），硬件自动挂起 Guest OS，切换到 VMX root operation 模式，恢复 VMM 的运行，这种转换称为 VM exit。VMX root operation 模式下软件的行为与在没有 VT-x 技术的处理器上的行为基本一致；而VMX non-root operation 模式则有很大不同，最主要的区别是此时运行某些指令或遇到某些事件时，发生 VM exit。

虚拟机控制块

VMM 和 Guest OS 共享底层的处理器资源，因此硬件需要一个物理内存区域来自动保存或恢复彼此执行的上下文。这个区域称为虚拟机控制块（VMCS），包括客户机状态区（Guest State Area），主机状态区（Host State Area）和执行控制区。VM entry 时，硬件自动从客户机状态区加载 Guest OS 的上下文。并不需要保存 VMM 的上下文，原因与中断处理程序类似，因为 VMM 如果开始运行，就不会受到 Guest OS的干扰，只有 VMM 将工作彻底处理完毕才可能自行切换到 Guest OS。而 VMM 的下次运行必然是处理一个新的事件，因此每次 VMM entry 时， VMM 都从一个通用事件处理函数开始执行；VM exit 时，硬件自动将 Guest OS 的上下文保存在客户机状态区，从主机状态区中加载 VMM 的通用事件处理函数的地址，VMM 开始执行。而执行控制区存放的则是可以操控 VM entry 和 exit 的标志位，例如标记哪些事件可以导致 VM exit，VM entry 时准备自动给 Guest OS “塞”入哪种中断等等。

客户机状态区和主机状态区都应该包含部分物理寄存器的信息，例如控制寄存器 CR0，CR3，CR4；ESP 和 EIP（如果处理器支持 64 位扩展，则为 RSP，RIP）；CS，SS，DS，ES，FS，GS 等段寄存器及其描述项；TR，GDTR，IDTR 寄存器；IA32_SYSENTER_CS，IA32_SYSENTER_ESP，IA32_SYSENTER_EIP 和 IA32_PERF_GLOBAL_CTRL 等 MSR 寄存器。客户机状态区并不包括通用寄存器的内容，VMM 自行决定是否在 VM exit 的时候保存它们，从而提高了系统性能。客户机状态区还包括非物理寄存器的内容，比如一个 32 位的 Active State 值表明 Guest OS 执行时处理器所处的活跃状态，如果正常执行指令就是处于 Active 状态，如果触发了三重故障（Triple Fault）或其它严重错误就处于 Shutdown 状态，等等。

前文已经提过，执行控制区用于存放可以操控 VM entry 和 VM exit 的标志位，包括：

1. External-interrupt exiting：用于设置是否外部中断可以触发 VM exit，而不论 Guest OS 是否屏蔽了中断。
2. Interrupt-window exiting：如果设置，当 Guest OS 解除中断屏蔽时，触发 VM exit。
3. Use TPR shadow：通过 CR8 访问 Task Priority Register（TPR）的时候，使用 VMCS 中的影子 TPR，可以避免触发 VM exit。同时执行控制区还有一个 TPR 阈值的设置，只有当 Guest OS 设置的 TR 值小于该阈值时，才触发 VM exit。
4. CR masks and shadows：每个控制寄存器的每一位都有对应的掩码，控制 Guest OS 是否可以直接写相应的位，或是触发 VM exit。同时 VMCS 中包括影子控制寄存器，Guest OS 读取控制寄存器时，硬件将影子控制寄存器的值返回给 Guest OS。

VMCS 还包括一组位图以提供更好的适应性：

1. Exception bitmap：选择哪些异常可以触发 VM exit，
2. I/O bitmap：对哪些 16 位的 I/O 端口的访问触发 VM exit。
3. MSR bitmaps：与控制寄存器掩码相似，每个 MSR 寄存器都有一组“读”的位图掩码和一组“写”的位图掩码。

每次发生 VM exit时，硬件自动在 VMCS 中存入丰富的信息，方便 VMM 甄别事件的种类和原因。VM entry 时，VMM 可以方便地为 Guest OS 注入事件（中断和异常），因为 VMCS 中存有 Guest OS 的中断描述表（IDT）的地址，因此硬件能够自动地调用 Guest OS 的处理程序。

更详细的信息请参阅 Intel 开发手册 [5]。