第7章 Smart-VM虚拟化层的实现

1.1 Smart-VM虚拟化层

在使用Intel-VT技术之前，Smart-VM需要先激活VMX模式。为了激活VMX模式，处理器需要先进入保护模式。

当处理器在保护模式下未进入VMX模式的时候，跟普通处理器的保护模式操作是一样的。当处理器激活VMX模式，进入VMX根操作模式时，基本上跟正常的处理器在保护模式下的操作是一样的，但是VMX根操作模式多了几条操作VMX模式的指令。

VMX非根操作模式下虚拟的是保护模式。但是跟正常的保护模式有差别，比如说当客户操作系统在VMX非根操作模式下运行的时候，需要访问硬件资源的时候，就需要回到VMX根模式，交由虚拟机监控器处理。

在VMX架构中，虚拟机监控器放在VMX的根操作模式下，用于管理计算机的硬件资源，同时为客户操作系统虚拟他们所需的虚拟硬件资源。客户操作系统运行在VMX非根操作模式下。

1.2 虚拟服务分发器

虚拟服务分发器在Smart-VM虚拟化层所处的位置如图5.4所示。

虚拟服务分发器会维护一种虚拟服务表，这张表的每个条目对应的是一个服务函数。当处理器从非根操作模式退出到根操作模式下的时候，都可以从这个虚拟服务表中找到相应的服务函数进行处理。从非根操作模式退出到根操作模式下的基本原因存放在Basic VM-Exit Information域。

1.3 激活VMX模式

1.3.1 激活VMX模式的条件

第一代Intel-VT技术，在激活VMX模式的时候，需要将CR0.PE，CR0.NE， CR0.PG，CR4.VMXE设置为1，即开启VMX模式需要先开启保护模式和分页机制。

1.3.2 激活VMX模式的流程

图  7.1 判断和设置进入VMX所需条件的流程图

图7.1显示了Smart-VM激活VMX模式的流程图：

a)        开启保护模式和虚拟内存机制：在加载程序的时候，已经开启了保护模式和分页机制。具体参看引导程序和加载程序部分；

b)        判断是否支持CPUID指令；

c)        判断该处理器是否有支持Intel-VT技术；

d)       开启VMX操作：

                        i.              激活VMX指令操作：置IA32_FEATURE_CONTROL.bit2为1；

                      ii.              锁定MSR寄存器：置IA32_FEATURE_CONTROL.bit0为1；

                    iii.              置CR0.NE，CR4.VME为1；

                    iv.              设置VMCS revision id；

                      v.              执行VMXON指令，激活VMX模式；

1.4 CPU虚拟化

1.4.1 实模式虚拟化

真实的机子在启动的时候，进入的是实模式，然后从实模式跳转到保护模式。虚拟机监控器也需要虚拟这个过程。但是当处理器进入VMX非根操作模式是，处理器只有虚拟8086模式和保护模式两种。因此，要虚拟实模式，一般采用以下两种方式：

a)        实现一个模拟实模式的模块；

b)        利用虚拟8086模式；

Smart-VM采用第二种方法来虚拟实模式。

利用虚拟8086模式来实现实模式的虚拟化同样也有两种方法：

a)        利用保护模式下的虚拟8086模式；

b)        利用VMX非根操作操作模式下的保护模式下的虚拟8086模式；

图7.2的着色部分显示了虚拟8086模式在处理器各个模式中所处的位置。如果利用保护模式下的虚拟86模式，那么需要进行保护模式和VMX模式之间的切换，因此，我们采用第二种方法，即使用VMX非根操作模式下的保护模式下的虚拟8086模式。

图  7.2 虚拟8086模式

虚拟8086模式在保护模式下是运行在特权级3的，因此跟实模式还是有一些差别的：

1.      不能运行特权级指令；

2.      中断机制采用的是保护模式下的中断机制，而不是BIOS中断；

3.      I/O操作，也需要遵循保护模式下的保护机制；

图  7.3 虚拟8086在保护模式下的切换

图7.3显示了虚拟8086在保护模式下的切换。

虚拟8086监控器实际上是作为Smart-VM虚拟化层的一个子模块，如图7.4所示。

图  7.4 Smart-VM虚拟8086监控器架构图

由图7.4可以看出，虚拟8086监控器模块既可以在VMX根操作模式下运作，也在VMX非根操作模式下运作：

a)        8086程序在非根操作模式下运行的时候，可能由于一些原因（比如说执行int指令）而退出到VMX非根操作模式下的虚拟8086监控器，此时的虚拟机监控器是在VMX非根操作模式下的特权级0下；

b)        虚拟8086监控器也可能由于一些原因（比如说I/O操作）而退出到VMX根操作模式；

在虚拟8086模式下虚拟实模式，需要处理好以下几个问题：

1.4.1.1 进入NOT-ROOT模式下的虚拟8086模式

在VMCS的guest-state中的eflags的VM置1，即可进入非根操作模式下的虚拟8086模式。关于其他客户域的寄存器的设置，跟进入保护模式下的客户域的设置有所不同，请参看下面的表。

1.4.1.2 处理软件异常

Smart-VM将所有的软件异常，都转交给Smart-VM虚拟机监控器，由它处理。

但是当虚拟机监控器处理完一个异常的时候，需要在进入非根模式的时候，插入事件说明，告诉处理器，虚拟机监控器处理完了一个异常。如果同一个客户操作系统，在产生一个异常之后，虚拟机监控器未处理完，又产生一个异常，那系统就会产生双重故障。

1.4.1.3 处理特权级指令

在虚拟8086模式下，由于是在特权级3下运行，因此执行特权级指令会产生异常。Smart-VM设置了相关的位，让处理器能够捕获客户操作系统的软件异常，并且转交给Smart-VM虚拟机监控器。

1.4.1.4 非根操作模式下的BIOS虚拟化

在实模式下，需要通过BIOS中断，才能够访问硬件，比如说读取硬盘或者软盘数据等。但是，在虚拟8086模式下，中断只能通过保护模式下的中断机制来实现。因此，我们在中断向量表上，需要根据BIOS的中断向量表实现一整套的BIOS中断。

当虚拟8086模式下的程序执行int指令的时候，就产生软件中断，转入虚拟8086监控器，由虚拟8086监控器处理。

1.4.1.5 从非根操作模式下的虚拟8086模式进入非根操作模式下的保护模式

置VMCS控制域的CR0 guest/host mask 域置为0xFFFFFFFF，这样，当处理器在操作CR0控制寄存器的时候，就会产生VM-exit。当Smart-VM虚拟机监控器获取操作CR0寄存器的指令时，就可以分析该指令，以此决定下一步该采取什么样的操作。

英特尔手册规定，在保护模式下，当cr0.PE位为1时，下一条指令就要是jmp或者call指令，直接跳转到保护模式。根据这个规定，当我们获取在虚拟8086模式下将cr0.pe位置1的指令时，在返回VMX非根模式时，返回的是VMX非根模式下的保护模式，这样，当执行jmp或者call指令的，就可以装载好选择子和EIP。

在进入保护模式的时候，需要设置好的置如表7.6^[20]。

1.4.1.6 进入虚拟8086模式的VMCS配置

客户域

表  7.1 进入虚拟8086模式的客户域配置

Guest-state 寄存器域	CR0 = 0xC0000021 CR3 = Smart-VM虚拟机监控器的CR3 CR4 = 0x2000
	DR7 = 0x400
	RSP = 0x0 RIP = 0x7C00 EFLAGS = 0x23002
	CS_SELECTOR = 0 CS_BASE = 0 CS_LIMIT = 0xFFFF CS_AR_BYTES = 0xF3 SS_SELECTOR = 0 SS_BASE = 0 SS_LIMIT = 0xFFFF SS_AR_BYTES = 0xF3 DS_SELECTOR = 0 DS_BASE = 0 DS_LIMIT = 0xFFFF DS_AR_BYTES = 0xF3 ES_SELECTOR = 0 ES_BASE = 0 ES_LIMIT = 0xFFFF ES_AR_BYTES = 0xF3 FS_SELECTOR = 0
续表  7.2 进入虚拟8086模式的客户域配置
Guest-state 寄存器域	FS_BASE = 0 FS_LIMIT = 0xFFFF FS_AR_BYTES = 0xF3 GS_SELECTOR = 0 GS_BASE = 0 GS_LIMIT = 0xFFFF GS_AR_BYTES = 0xF3 LDTR _SELECTOR = 0 LDTR _BASE = 0 LDTR _LIMIT = 0xFFFF LDTR _AR_BYTES = 0x82 TR _SELECTOR = 0x18 TR _BASE = Smart-VM虚拟机监控器的tss基址 TR _LIMIT = Smart-VM虚拟机监控器的tss大小 TR _AR_BYTES = 0x8b
	GDTR_BASE =Smart-VM虚拟机监控器GDT的基址 GDTR_LIMIT = Smart-VM虚拟机监控器的GDT的大小 IDTR的基址=Smart-VM虚拟机监控器IDT的基址 IDTR_LIMIT = Smart-VM虚拟机监控器的IDT的大小
Guest-state 非寄存器域	GUEST_ACTIVITY_STATE = 0
	GUEST_INTERRUPTIBILITY_INFO = 0
续表  7.3 进入虚拟8086模式的客户域配置
Guest-state 非寄存器域	GUEST_PENDING_DBG_EXCEPTIONS = 0
	VMCS_LINK_POINTER = 0xFFFFFFFF_FFFFFFFF

宿主域

表  7.4 进入虚拟8086模式的宿主域配置

Host-state 寄存器域	CR0 = Smart-VM虚拟机监控器的CR0 CR3 = Smart-VM虚拟机监控器的CR3 CR4 = Smart-VM虚拟机监控器的CR4
	RIP = gos->vmexit_func RSP = 0xC009f000
	CS的选择子= Smart-VM虚拟机监控器的CS的选择子 SS的选择子 = Smart-VM虚拟机监控器的SS的选择子 DS的选择子 = Smart-VM虚拟机监控器的DS的选择子 ES的选择子 = Smart-VM虚拟机监控器的ES的选择子 FS的选择子 = Smart-VM虚拟机监控器的FS的选择子 GS的选择子 = Smart-VM虚拟机监控器的GS的选择子 TR的选择子 = Smart-VM虚拟机监控器的TR的选择子
	GDTR的基址=Smart-VM的 GDT的基址
续表  7.5 进入虚拟8086模式的宿主域配置
Host-state 寄存器域	IDTR的基址=Smart-VM虚拟机监控器IDT的基址

执行控制域

表  7.6 进入虚拟8086模式的执行控制域

Pin-Based VM-Execution Controls	External-interrupt exiting = 0
	NMI exiting = 0
	Virtual NMIs = 0
	Activate VMX-preemption timer = 0
Processor-Based VM-Execution Controls	Interrupt-window exiting = 0
	Use TSC offsetting = 0
	HLT exiting = 0
	INVLPG exiting = 0
	MWAIT exiting = 0
	RDPMC exiting = 0
	RDTSC exiting = 0
	CR3-load exiting = 0
	CR3-store exiting = 0
	CR8-load exiting = 0
	CR8-store exiting = 0
	Use TPR shadow = 0
	NMI-window exiting = 0
	MOV-DR exiting = 0
	Unconditional I/O exiting = 1
	Use I/O bitmaps = 0
	Monitor trap flag = 0
	Use MSR bitmaps = 0
	MONITOR exiting = 0
续表  7.7 进入虚拟8086模式的执行控制域
Processor-Based VM-Execution Controls
	PAUSE exiting = 0
	Activate secondary controls = 0
EXCEPTION_BITMAP	全部置为1

进入控制域

表  7.8 进入虚拟8086模式的进入控制域

VM-Entry Controls	Load debug controls = 0
	IA-32e mode guest = 0
	Entry to SMM = 0
	Deactivate dual-monitor treatment = 0
	Load IA32_PERF_GLOBAL_CTRL = 0
	Load IA32_PAT = 0
	Load IA32_EFER = 0

退出控制域

表  7.9 进入虚拟8086模式的退出控制域

VM-Exit Controls	Save debug controls = 0
	Host address-space size = 0
	Load IA32_PERF_GLOBAL_CTRL = 0
	Acknowledge interrupt on exit = 0
	Save IA32_PAT = 0
	Load IA32_PAT = 0
	Save IA32_EFER = 0
	Load IA32_EFER = 0
	Save VMX-preemption timer value = 0

1.4.1.7 从实模式跳转到保护模式下的VMCS配置

表  7.10 从实模式跳转到保护模式下的VMCS配置

RFLAGS = 0x03002

RIP = 下一条指令的地址

CS_SELECTOR = 0x08

CS_BASE = 0x90000

CS_LIMIT = 0xFFFFFFFF

CS_AR_BYTES = 0x809b

SS_SELECTOR = 0x10

SS_BASE = 0

SS_LIMIT = 0xFFFFFFFF

SS_AR_BYTES = 0x8093

GDTR_BASE =客户操作系统的GDT的基址

GDTR_LIMIT = 客户操作系统的GDT的大小

1.5 内存虚拟化

Smart-VM虚拟机监控器采用的是第一代处理器虚拟化。

分配给客户操作系统的内存，是通过映射虚拟内存页表实现，然后将表传递给客户操作系统的CR3实现的。因此，客户操作系统所有关于CR3的操作，都要由Smart-VM虚拟机监控器处理。

1.6 本章小结

本章介绍了Smart-VM虚拟化层的实现：

a)        虚拟服务分发器：客户操作系统对虚拟机监控器的请求，需要经过虚拟服务分发器，才能够到达相应的模块；

b)        激活VMX模式：先对处理器等进行了有效的验证，再进行相关的配置，最后启动VMX模式；

c)        处理器虚拟化的实现：实现了部分8086指令的虚拟化和80x86功能的部分虚拟化；

d)       内存虚拟化的实现：使用影子页表；