Vol3-23-VMX(Virtual Machine Extension)

系统软件可以通过CPUID指令来判断处理器是否支持VMX,如果CPUID.1.ECX.VMX[bit5] = 1,那么当前处理器支持VMX,否则,当前处理器不支持VMX功能。

VMX(Virtual Machine Extension)介绍

• VMX的其他特性在3B卷
• VMX指令在2B卷
• 支持2种虚拟机软件形式
  • 1. VMM作为host， 对处理器和其他硬件有绝对的控制权. 为客户端提供虚拟处理器，并允许客户端运行在逻辑核上.
    • Virtual-machine monitors (VMM)
    • 此时，VMM可以保留处理器资源、物理存储、中断管理和IO的控制权
  • 2. 每个虚拟机都是一个客户端软件环境，支持安装操作系统和应用软件. 每个虚拟机都是独立的，并且都运行在硬件提供的一整套相同的接口上. 这些接口包括处理器，memory,storage,图形处理，IO端口.
    • Guest software
    • 这些虚拟机看起来就像单独运行在一个硬件平台上. 虚拟机内的软件必须具有更低的运行权限，因为虚拟机 本身要保留对硬件的绝对控制权.
• 限制机制
  • 在VMX操作中，处理器可能将置CR0和CR4的某些域中的值为固定值，不接受其它值.
  • 如果这些域中的值为不支持的值，那么VMXON就会失败.
  • 在VMX操作中(包括VMX root operation)，任何使用指令CLTS、LMSW、MOV CR尝试对这些域的值进行修改的行为均会产生#GP异常.
  • VM entry和VM exit也无法将这些域设置为不支持的值
  • 软件应该查询VMX capability MSRs来确定CR0、CR4中的哪些bit被固定，固定为哪些值.
    • 对于CR0, 需要咨询的MSR包括IA32_VMX_CR0_FIXED0、IA32_VMX_CR0_FIXED1
    • 对于CR4,需要咨询的MSR包括IA32_VMX_CR4_FIXED0、IA32_VMX_CR4_FIXED1
  • Attention
    • 1. 第一个支持VMX操作的处理器在VMX操作中需要以下bit为1: CR0.PE, CR0.NE, CR0.PG, CR4.VMXE.
    • PE和PG的限制意为VMX操作只能运行在带分页模式的保护模式下，包括IA-32e模式.因此客户端软件不能运行在非页保护模式或实模式.
    • 当然也有客户端软件想要运行在非页保护模式，处理器还支持一种VM-execution叫做“unrestricted guest”，如果该control为1,那么PE和PG在VMX non-root模式操作下有可能为0.这样的处理器允许客户端软件运行在非页保护模式或实模式.
    • 2. 如果处理器在A20M模式，VMXON指令会失效.处理器一进入VMX 操作，A20M的中断全部被屏蔽.
    • 3. 只要逻辑处理器处于VMX root操作中，INIT信号就会被阻止. 在VMX non-root模式不会阻止INIT信号，在VMX non-root模式下使用INITs会导致VM exits.
    • 4. Intel处理器追踪(intel processor trace)，后称INTEL PT技术可以在VMX操作中使用，前提是IA32_VMX_MISC[14]被读为1.
    • 在那些支持INTEL PT技术但不支持在VMX中用的处理器中，执行VMXON会清除IA32_RTIT_CTL.TraceEn，在VMX中任何对IA32_RTIT_CTL的写尝试都会触发#GP异常.
• 进入VMX操作环境(VMXON)
  • CR4.VMXE[bit 13] = 1
  • VMXON
  • 如果不先使能CR4.VMXE[bit13],在VMXON时会触发invalid-opcode exception (#UD)异常
  • 一旦进入VMX操作，便无法清除CR4.VMXE，执行完VMX操作并退出VMX操作(VMXOFF)后，可以对CR4.VMXE清bit.
  • VMXON指令也由IA32_FEATURE_CONTROL MSR(MSR地址3AH)控制， 当逻辑核reset时，该MSR清0
    • 相关bit
      • bit0: lock bit. 如果为0,VMXON会触发#GP异常，如果为1,对该MSR的WRMSR操作会触发#GP异常,该MSR只有在上电复位状态下才能写入，BIOS可以利用该bit提供关闭VMX功能.如果要使能VMX支持，BIOS必须置bit1、bit2中至少一个为1,当然也要置bit0为1
      • bit1: 在SMX(Safer Mode Extensions)中使能VMXON. 如果为0,在SMX操作中使用VMXON将会触发#GP异常，在不支持VMX和SMX操作的逻辑核上将该bit置1将回触发#GP异常
      • bit2: 在SMX外部使能VMXON. 如果为0,在SMX操作外部执行VMXON会导致#GP异常. 在不支持VMX操作的逻辑核上将该bit置1将会触发GP异常.
  • Attention
    • 1. 如果在上一次执行了GETSEC[SENTER]之后没有执行GETSEC[SEXIT],那么逻辑核还处于SMX操作之中.
    • 2. 如果GETSEC[SENTER]从未被执行过，那么逻辑核一定在SMX操作之外
    • 3. 如果在上一次执行了GETSEC[SENTER]之后，执行了GETSEC[SEXIT]，那么逻辑核一定在SMX操作之外
    • 我觉得这3句是废话
  • 在执行VMXON之前，软件应该分配一组4K边界对齐的空间(未来的处理器可能会对该空间大小做变化)，逻辑核将使用该空间支持VMX操作.该空间叫做VMXON REGION.VMXON REGION的地址由一个VMXON操作提供.
• VMX支持检测
  • CPUID.1:ECX.VMX[bit 5] = 1时，CPU支持VMX功能
• 虚拟机控制结构(VMCS)
  • VMXnon-root操作和VMX控制权传递由一个叫做虚拟机控制结构(VMCS)的数据结构控制
  • 对于VMCS的访问，每个逻辑核都有一个叫做VMCS pointer的处理器状态组件控制
  • VMCS pointer的本质为VMCS的64-bit地址，使用指令VMPTRST和VMPTRLD可以对VMCS pointer进行读写
  • 使用VMREAD、VMWRITE、VMCLEAR对VMCS进行配置
  • 只要VMM支持，VMM就可以对每个虚拟机使用不同的VMCS，对于包含多个逻辑核的虚拟机，VMM可以为每个逻辑核使用不同的VMCS
• VMM软件生命周期
  • 软件通过VMXON指令进入VMX操作
  • 使用VM entries操作VMLAUNCH/VMRESUME指令导致进入虚拟机(一次进入一个虚拟机)
  • VM exits将控制权交给由VMM指定的入口,VMM可以针对VM exit触发的原因进行合适的操作，之后也可以通过VM entry再次使客户端进入虚拟机
  • 当VMM决定关闭自己且离开VMX操作时，执行VMXOFF指令.
• 为保留控制权提出的机制
  • VMX non-root操作模式下，处理器的行为被限制和修改，为了有利于虚拟化.
  • 部分指令(包含VMCALL)会导致VM exits，即从non-root模式进入root操作模式
  • non-root模式下软件的行为被限制，目的是为了使VMM保留对处理器资源的控制权限.
  • 软件无法知道自己是否运行在一个虚拟机上.
  • 即使在ring0权限下，限制并不会改变，因此客户端软件只要按照正常权限编写即可
• VMX操作
  • 处理器以VMX操作的形式展现虚拟化技术
  • 类型
    • root operation
      • Virtual-machine monitors (VMM)
    • non-root operation
      • 客户端虚拟机
    • 二者之间的转换叫做VMX transition
      • root->non-root : VM entries
      • non-root -> root : VM exits
  • VMX root operation下，处理器的行为几乎和VMX模式外的行为一样， 只是多了很多VMX指令.限制了能够加载到某些控制寄存器的值.