VMX详解（网转我也没看懂）

VMX（VirtualMachine Extension）是Intel 64和IA-32架构处理器级别的功能，用于支持虚拟化。VMX支持两种类型的软件：

Virtual-machinemonitor（VMM），VMM对处理器和平台硬件具有完全的控制权限。VMM为客户软件提供虚拟处理器的抽象，从而让客户软件能够直接在逻辑CPU上跑。
客户软件（Guest software）。每个虚拟机（VM）就是一个客户软件运行环境。
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包括两种VMX操作操作模式：

VMX根操作（VMXroot operation）模式，通常VMM将会在这种模式下运行；
VMX非根操作（VMX non-root operation），通常客户软件（虚拟机）将在这种环境下运行。
两种类型的操作之间的转换称作VMX转换，从根操作模式转换到非根操作模式称作VMX进入（VMX Entry），相反从非根操作模式转换到根操作模式称作VMX退出（VMX Exit）。

当处理器运行于VMX根操作模式的时候，它类似于运行在没有打开VMX功能的环境下，跟不打开VMX功能的主要区别是，在VMX根操作模式中，可以执行VMX相关指令，并且有某些制寄存器的写被限制了

当处理器运行于VMX非根操作模式的时候，处理器的某些行为被限制住或者被更改以便实现虚拟化，即某些指令或者事件会引起VM exits，从而让处理器从VMX非操作模式退出到根操作模式的VMM里，最终让VMM去模拟这些指令的行为从而实现虚拟化。

另外，VMX的两种操作模式和处理器的运行级别是正交的，即在VMX根操作模式或者VMX非根操作模式中，都有相应的从ring0 ～ ring3的运行级别，而且两种模式下的各种运行级别是相互独立的。

VMX功能尽量让软件不能从某个控制寄存器中得知当前自己正运行在VMX非特权模式下，这样就可以防止软件知道自己是否运行在一个虚拟机中。但是VMM其实是可以通过对某些指令的模拟，绕过这个机制的，比如在KVM中，KVM模块对CPUID指令的模拟，让虚拟机中执行CPUID指令的时候返回KVM相关的信息。



从最高层次来看处理器使用VMX的步骤如下：

通过CPUID指令判断VMX功能是否被当前处理器支持；
如果当前处理器支持VMX功能，那么通过设置CR4.VMXE[bit13] = 1来打开VMX功能；
通过VMXON指令开启VMX功能，并且激活VMM；
在VMX中可以通过VM Entry和VM Exit来进入客户虚拟机或者返回到VMM中，即切换到VMX非根操作模式或者切换到VMX根操作模式，也可以利用此操作来切换运行的客户虚拟机；
通过VMXOFF来关闭VMX功能，从而终止VMX的操作。

VMX非根操作模式和VMX转换都由位于内存的VMCS（Virtual Machine Control Structure）数据结构控制，每个逻辑CPU都有一个包含指向VMCS指针的寄存器。VMCS指针通过VMPTRST和VMPTRLD指令来读和写，并且VMM可以通过VMREAD、VMWRITE和VMCLEAR指令来配置VMCS。

在虚拟化中，为了实现vCPU，既要模拟CPU的运行，又要记录vCPU的状态（包括对vCPU运行的控制信息），在Intel x86处理器的VMX（Virtual Machine Extension）功能中，通过引入根运行模式（VMX root operation）和非根模式（VMX non-rootoperation），直接让vCPU运行在逻辑CPU上，在软件上省去了对vCPU运行的模拟，同时也大大提升了性能。剩下的就是对vCPU状态的记录了，为此Intel引入了VMCS（Virtual Machine Control Structure）功能。

VMCS（VirtualMachine Control Structure）是Intel x86处理器中实现CPU虚拟化，记录vCPU状态的一个关键数据结构。该数据结构主要包含如下六方面的信息：

Guest-statearea，即vCPU的状态信息，包括vCPU的基本运行环境（如通用寄存器等）和一些非寄存器信息，如当前vCPU是否接收中断，是否有挂起的exception，VMCS的状态等等。
Host-statearea，即主机物理CPU的状态信息，因为物理CPU是在主机CPU和vCPU之间来回切换运行的，所以在VMCS中既要记录vCPU的状态，也需要记录主机CPU的状态，这样vCPU才能有足够的信息恢复到原来主机CPU的状态，继续主机CPU的运行。其包含的具体信息和前面记录的vCPU的状态信息大体相同。
VM-executioncontrol fields，该方面信息主要用于对vCPU的运行行为进行控制，这是VMM对vCPU进行配置最复杂的一部分，如
控制vCPU在接收到某些中断事件的时候，是否直接在vCPU中处理掉，即虚拟机直接处理掉该中断事件还是需要退出到VMM中，让VMM去处理该中断事件
是否使用EPT（Extended Page Table）功能
是否允许vCPU直接访问某些I/O口，MSR寄存器等资源
vCPU执行某些指令的时候，是否会出发VM Exit等等
VM-exitcontrol fields，即对VM Exit的行为进行控制，如VM Exit的时候对vCPU来说需要保存哪些MSR寄存器，对于主机CPU来说需要恢复哪些MSR寄存器。
VM-entrycontrol fields，即对VM Entry的行为进行控制，如需要保存和恢复哪些MSR寄存器，是否需要向vCPU注入中断和异常等事件（VM Exit的时候不需要向主机CPU注入中断/异常事件，因为可以让那些事件直接触发VM Exit）。
VM-exitinformation fields，即记录下发生VM Exit发生的原因及一些必要的信息，方便于VMM对VM Exit事件进行处理，如vCPU访问了特权资源造成VM Exit，则在该区域中，会记录下这个特权资源的类型，如I/O地址，内存地址或者是MSR寄存器，并且也会记录下该特权资源的地址，好让VMM对该特权资源进行模拟。
VMCS有点类似于Linux进程中的上下问，只是它保存的是vCPU/CPU的状态和控制信息，而不是进程/线程的状态和控制信息。

每个vCPU都有自己的一份VMCS数据结构，并且在同一个VM中的vCPU可能会通过VMCS中的指针共享一些数据，如I/O bitmap，MSR bitmap和EPT表等。VMCS的大小需要查看VMX capability MSR IA32_VMX_BASIC寄存器来决定，不同的处理器可能要求的不一样，最大不超过4KB。
每个VMCS都会有一个8字节的头部，前面4字节主要用来表示VMCS的版本号并且表示VMCS是否为shadow VMCS。然后从偏移量8开始，就是VMCS的数据区，不同版本号的VMCS数据区分布会不一样。



为了为不同版本的VMCS（数据分布有区别）提供统一的、安全的访问接口，VMX功能提供了VMREAD和VMWRITE两个指令，用于对VMCS数据结构进行访问，该指令的第一个操作数就是VMCS数据结构中各个数据域的索引（注意：并不是偏移量），在Intel SDM（Software Developer Manuel）手册上，会定义各个数据区域的索引值。





当VMCS数据结构被load到逻辑CPU上（即执行VMPTRLD指令）后，处理器并没法通过普通的内存访问指令去访问VMCS，如果那样做的话，会引起处理器报错，唯一可用的方法就是通过VMREAD和VMWRITE指令去访问。

VMCS数据结构也会记录下当前vCPU的状态，基本上VMCS的状态由三个域来表示：

Active或Inactive，表示该VMCS是否处于激活状态，即对于逻辑CPU来说，该VMCS是否是直接可用的，有点类似于Linux进程的可运行状态（虽然可运行，但并不意味着现在就必须运行）
Current或NonCurrent，该状态表示当前逻辑CPU执行VMX指令（如VMCLEAR，VMLAUNCH，VMRESUME等）时的目标VMCS（或者可以理解为目标vCPU），这些VMX指令的目标都是状态为Current的VMCS所代表的vCPU。
Clear或者Launched，用于表示VMCS所对应的vCPU是否有在逻辑CPU上执行过，如果没有，则为Clear状态，如果有，则为Launched状态，Launched状态的VMCS也可以通过VMCLEAR指令恢复到Clear状态。当一个vCPU从一个逻辑CPU迁移到另外一个逻辑CPU的时候，需要先将相应VMCS的状态恢复到Clear，撇清该VMCS根原本逻辑CPU的关系，然后在另外一个逻辑CPU上执行VMPTRLD，将该VMCS和新的逻辑CPU建立联系。


对于VMM而言，配置并运行一个VM的最基本步骤如下所示：

根据IA32_VMX_BASIC MSR寄存器提供的VMCS region大小信息，在内存中创建一个4KB对齐的VMCS region（为了防止被直接内存访问到，可以将该page frame从页表中删除）；
根据IA32_VMX_BASIC MSR寄存器提供的VMCS版本信息，初始化新创建的VMCS region中的版本信息，并且将VMCS前4字节的bit31设置为0（表示该VMCS不是shadow VMCS）；
针对新创建的VMCS region执行VMCLEAR指令，这会对新创建的VMCS region进行初始化，并且将VMCS的状态设置为Clear；
针对新创建的VMCS region执行VMPTRLD指令，该指令会将新创建的VMCS region设置为逻辑CPU的当前VMCS，即新创建的VMCS从原来的Not Current状态变为Current状态，后面所有的VMX相关指令操作的对象都将是新创建的VMCS；
通过一系列的VMWRITE指令对VMCS中的Host-state area进行初始化，该区域将记录VM返回到VMM时，或者是VM Entry不成功时，逻辑CPU的状态及执行位置等信息；
通过VMWRITE指令对VMCS中VM-Exit control field，VM-Entry controlfield和VM execution control field等区域进行设置；
通过WMWRITE指令对VMCS中guest state area区域进行设置，该区域表示了VM中vCPU的执行时vCPU的状态，起始执行位置等信息；
执行VMLAUNCH指令，开始vCPU的执行。通过VMM需要判断VMLAUNCH的返回结果，确定vCPU是否真正被执行，还是因为某些逻辑冲突导致vCPU没有被执行就返回。
注意：在设置VMCS的各个数据区域的时候，是有顺序讲究的，需要先设置Host-state area，这样可以防止后边步骤出现问题，CPU无法返回到正确的状态和位置，另外页可以减少后面设置对Host CPU状态的干扰。

vCPU的直奔执行逻辑如下图所示：




不同的VMCS的切换就像Linux中不同的进程在逻辑CPU上切换，通过时分复用的方式共享着物理CPU的资源。

对于Intel x86处理器，在打开VMX（Virtual Machine Extension），即执行VMXON指令的时候需要提供一个4KB对齐的内存区间，称作VMXON region，该区域的物理地址作为VMXON指令的操作数。该内存区间用于支持逻辑CPU的VMX功能，该区域在VMXON和VMXOFF之间一直都会被VMX硬件所使用。

VMXONRegion内存区域的要求跟VMCS类似，也是需要4KB对齐，并且在使用之前，需要先初始化一下VMCS revision，即从IA32_VMX_BASIC MSR寄存器中获取到的31bit的VMCSrevision identifier。对于每个支持VMX功能的逻辑CPU而言，都需要一个相应的VMXON Region。
对于软件而言，除了在执行VMXON之前初始化一下VMCS的版本号之外，不需要再做其他事情，特别是在VMXON和VMXOFF之间，软件不应该访问，甚至是更改VMXON Region这段内存，否则可能会造成不可预知的后果。


在KVM模块中，KVM的模块加载过程vmx_init()中，会调用到alloc_kvm_area()函数，为每个逻辑CPU分配一个VMXONRegion。

源码中，分配VMXON Region的时候完全是以分配VMCS的方式进行分配的，这个可能容易让人将VMXON Region和VMCS Region混起来。
注意：VMXON Region和VMCS Region是不一样的两个内存区域，VMXON是针对逻辑CPU的，每个逻辑CPU都会有一份，并且在整个VMX功能使用期间硬件都会使用；而VMCS Region则是针对vCPU的，每个vCPU都会有一份VMCS Region，用于辅助硬件对vCPU的模拟。

VMXONRegion看样子完全是为了满足VMX功能在硬件上的需求，里面具体有什么数据，Intel并没有公开，软件要做的就是分配一个这样的数据区，标明VMCS revision，让后扔该硬件自个儿玩去，VMM没有必要也没有资格管
——————————-
作者：河马虚拟化
来源：CSDN
原文：https://blog.csdn.net/lindahui2008/article/details/81973853
版权声明：本文为博主原创文章，转载请附上博文链接！