Step 1: Intel VMX 简介与初始化 |
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Step 1: Intel VMX 简介与初始化
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在本阶段，我们将对虚拟化中的基本概念，以及 Intel VMX 指令扩展进行简单介绍。在代码部分，将实现 VMX 模式的使能与关闭。 代码：https://github.com/equation314/RVM-Tutorial/commit/cb8767256b9e444a778d480f75b96be0fba197e0 架构手册：Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual (SDM) Vol. 3C, Chapter 23 1.1 虚拟化基本概念 Host 模式：系统的最高特权级，运行 hypervisor。 Guest 模式：比 host 模式特权级低，但能执行 OS 级别的特权指令，运行 guest OS 等需要 OS 级特权操作的软件。 Hypervisor：也叫 virtual-machine monitors (VMM)，运行在具有最高特权级的 host 模式，拥有硬件资源的完全控制权限，并管理其上运行的 guest 软件。 Guest 软件：运行在 guest 模式的软件 (一般是一个操作系统，即 guest OS)，比 hypervisor 特权级低，执行特定指令时会被 hypervisor 拦截 (intercept)，在受控情况下访问硬件资源。 VM entry：从 host 模式切换到 guest 模式，开始执行 guest 软件的代码。 VM exit：从 guest 模式切换回 host 模式 (如执行特定指令、发生中断)，开始执行 hypervisor 的代码。 VCPU：由 hypervisor 虚拟出来的，运行 guest 软件所需的每 CPU 的私有状态。类似于传统 OS 中的线程，一个 guest OS 可具有多个 vCPU，vCPU 数量也可以多于物理 CPU 数量。 Guest VM：即我们通常说的虚拟机，除了包含一个或多个 vCPU 外，还包含其他全局的系统状态，如 guest 物理内存、虚拟设备等。类似于传统 OS 中的进程，hypervisor 可创建多个 guest VM，各运行一个 guest OS。 1.2 Intel Virtual-Machine eXtensions (VMX)Intel VMX (也叫 Intel VT-x)，是 Intel 处理器提供的硬件虚拟化的技术。虽然同为 x86 架构，但 AMD 与 Intel 的硬件虚拟化技术不同，AMD 的被称为 SVM 或 AMD-V。 在处理器使能 VMX 后，将具有两种运行模式 (统称 VMX operation)： VMX root operation：即 host 模式，运行 hypervisor。 VMX non-root operation：即 guest 模式，运行 guest 软件。VMX operation 可以和 x86 特权级相结合，如 VMX non-root ring-0 表示 guest 内核态，运行 guest OS；VMX non-root ring-3 表示 guest 用户态，运行 guest 用户程序。 为了配置 VMX non-root operation 的进入、运行、退出，以及保存 guest 的状态，VMX 中还有一个重要数据结构 Virtual-Machine Control Structure (VMCS)，我们将在 Step 2 详细介绍。 此外 VMX 还提供了一些额外的指令，主要有： 指令 描述 VMXON 使能 VMX，进入 VMX (root) operation VMXOFF 退出 VMX operation VMCLEAR 清除指定 VMCS，使得其可以被激活 VMPTRLD 在当前 CPU 上激活指定 VMCS，使其成为当前 VMCS VMREAD 读当前 VMCS 字段 VMWRITE 写当前 VMCS 字段 VMLAUNCH 进入 VMX non-root operation (当前 VMCS 首次进入) VMRESUME 进入 VMX non-root operation (当前 VMCS 非首次进入) VMCALL 在 VMX non-root operation 执行，触发 VM exit，从而调用 hypervisor 的功能 (类似 syscall) 1.3 Hypervisor 工作流程基于 Intel VMX 实现的 hypervisor，其基本工作流程如下： Hypervisor 执行 VMXON 指令，使能 VMX，进入 VMX root operation。 Hypervisor 配置 VMCS。 Hypervisor 执行 VMLAUNCH/VMRESUME 指令，发生 VM entry，切换到 VMX non-root operation，执行 guest 代码。 Guest 软件在发生特定事件后，会导致 VM exit，自动切换回 VMX root operation，hypervisor 需要根据 VM exit 的原因采取进一步操作。 Guest 执行完毕，hypervisor 执行 VMOFF 指令，退出 VMX 模式。
本节我们介绍如何使能 VMX 模式。 1.4.1 检查 VMX 支持情况首先，我们需要检查当前硬件平台是否支持 VMX 指令扩展，这一步又可以细分为两种情况： CPU 不支持 VMX CPU 支持 VMX，但被 BIOS 禁用对于 CPU 支持情况，是通过 CPUID 指令 查询 Processor Info and Feature Bits (EAX=1) 中的相关位获知。 对于 BIOS 支持情况，需要查询 IA32_FEATURE_CONTROL MSR 的以下两位： Bit 0 lock bit：如果设置，无法修改该 MSR；如果不设置，无法执行 VMXON。 Bit 2 enables VMXON outside SMX operation：如果不设置，无法 (在 SMX 模式外) 执行 VMXON。我们希望这两个位都已被设为了 1，否则就要重新设置。不过在 bit 0 为 1，而 bit 2 为 0 时，我们既无法使用 VMXON 指令，又无法修改该 MSR。此时说明 VMX 被 BIOS 禁用，需要在 BIOS 中手动开启。 1.4.2 (可选) 检查相关系统寄存器在使能 VMX 之前，一般还需要检查相关系统寄存器的某些位设置是否符合要求，并检查 VMX 的一些子功能是否被支持，这不影响 VMX 的使能成功，但便于在使能失败或后续操作失败时排查原因。感兴趣的可以参见代码与架构手册。 1.4.3 执行 VMXON在执行 VMXON 指令前，需要先将 CR4 的 VMXE 位 (13 位) 设为 1。然后创建 VMXON region，这是一块 4KB 大小 4KB 对齐的特殊内存，其物理地址将作为操作数提供给 VMXON 指令。VMXON region 还需要满足特定的格式：前 4 字节的低 31 位需要设置为 VMCS revision identifier，该值可以在 IA32_VMX_BASIC MSR 的低 31 位中查到。 由于 VMXON 的作用范围只有当前 CPU，所以在多核系统中如果有多个 CPU 需要使能 VMX，则需要在相应 CPU 上各自执行一遍 VMXON 指令，并提供不同的 VMXON region。 如果已使能 VMX，并在 guest 运行结束后要关闭 VMX，应当先执行 VMXOFF 指令，再将 CR4 的 VMXE 位清除。 1.4.4 小结最后，总结一下使能 VMX 的一般流程： 执行 CPUID 指令，检查 CPU 支持情况。 查询或设置 IA32_FEATURE_CONTROL MSR，检查 VMX 是否被 BIOS 禁用。 查询 IA32_VMX_BASIC MSR，获取 VMCS revision identifier。 创建 VMXON region，写入 VMCS revision identifier。 设置 CR4 的 VMXE 位。 传入 VMXON region 物理地址，执行 VMXON 指令。 1.5 实现本阶段主要工作是搭建了 rvm crate 的基本框架，并使能 VMX。其主要逻辑位于 rvm/src/arch/x86_64/vmx/mod.rs。 首先是检查 VMX 的支持情况，Rust 可使用 raw_cpuid 库来进行 CPUID 各功能的查询: pub fn has_hardware_support() -> bool { if let Some(feature) = raw_cpuid::CpuId::new().get_feature_info() { feature.has_vmx() } else { false } }VmxPerCpuState (以及架构无关的 RvmPerCpu) 是一个 per-CPU 结构，用于管理每个 CPU 私有的虚拟化相关状态 (如 VMXON region)，由 rvm crate 的调用者创建。不过本项目只提供单核的 hypervisor 实现，无需特别考虑，直接在 hypervisor/src/hv/mod.rs 中 run 函数的栈上创建： pub fn run() { println!("Starting virtualization..."); println!("Hardware support: {:?}", rvm::has_hardware_support()); let mut percpu = RvmPerCpu::::new(0); let res = percpu.hardware_enable(); println!("Hardware enable: {:?}", res); }启用 VMX 的具体逻辑位于 VmxPerCpuState::hardware_enable 函数，其中依次执行了以下步骤： 确保当前硬件支持 VMX，且还未被使能。 检查与配置 IA32_FEATURE_CONTROL MSR。 检查 CR0 和 CR4 的位设置是否符合要求 (SDM Vol. 3C, Appendix A.7, A.8)。 从 IA32_VMX_BASIC MSR 读取 VMCS revision identifier，并检查其他位是否符合要求。 初始化 VMXON region。由于之后阶段配置 VMCS 时也需要分配一个类似的内存区域 (VMCS region)，且格式与 VMXON region 一样，因此代码中用一个 VmxRegion 结构体统一这两种用途。 设置 CR4 的 VMXE 位。 传入 VMXON region 物理地址，执行 VMXON 指令。在 msr.rs 中，我们通过 Msr 结构体实现了对各种 MSR 寄存器 (Model-Specific Registers) 的读写。 此外，由于 rvm 是作为一个独立的库，并不具有内存分配功能。所以 rvm 中只会调用内存分配和释放的接口，而具体的实现在 hypervisor 调用时 rvm 时传入，这是通过 hal.rs 中的 trait RvmHal 来实现的。除了内存分配外，物理地址和虚拟地址的相互转换也是通过这种方式提供给 rvm 的： // The Interfaces which the underlying software (kernel or hypervisor) must implement. pub trait RvmHal { /// Allocates a 4K-sized contiguous physical page, returns its physical address. fn alloc_page() -> Option; /// Deallocates the given physical page. fn dealloc_page(paddr: PhysAddr); /// Converts a physical address to a virtual address which can access. fn phys_to_virt(paddr: PhysAddr) -> VirtAddr; /// Converts a virtual address to the corresponding physical address. fn virt_to_phys(vaddr: VirtAddr) -> PhysAddr; } 1.6 练习 阅读 Intel SDM Vol. 3C, Chapter 23: Introduction to Virtual Machine Extensions (共 4 页) |
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