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處理器虛擬化實(shí)現(xiàn)技術(shù)目錄處理器虛擬化技術(shù)介紹IntelVT-xvCPUAMDSVM2處理器虛擬化技術(shù)介紹在x86體系結(jié)構(gòu)中,處理器有四個(gè)運(yùn)行級(jí)別,分別是Ring0,Ring1,Ring2和Ring3,運(yùn)行級(jí)別從Ring0到Ring3依次遞減。其中,Ring0級(jí)別擁有最高的權(quán)限,可以執(zhí)行任何指令而沒有限制。操作系統(tǒng)內(nèi)核態(tài)代碼運(yùn)行在Ring0級(jí)別,因?yàn)樗枰苯涌刂坪托薷腃PU狀態(tài),而類似于這樣的操作需要在Ring0級(jí)別的特權(quán)指令才能完成,而應(yīng)用程序一般運(yùn)行在Ring3級(jí)別。3處理器虛擬化技術(shù)介紹全虛擬化可以采用二進(jìn)制代碼動(dòng)態(tài)翻譯技術(shù)來解決客戶機(jī)的特權(quán)指令問題,這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于代碼的轉(zhuǎn)換工作是動(dòng)態(tài)完成的,無需修改客戶機(jī)操作系統(tǒng),因而可以支持多種操作系統(tǒng)。半虛擬化通過修改客戶機(jī)操作系統(tǒng)來解決虛擬機(jī)執(zhí)行特權(quán)指令的問題,被虛擬化平臺(tái)托管的客戶機(jī)操作系統(tǒng)需要修改其操作系統(tǒng),將所有敏感指令替換為對(duì)底層虛擬化平臺(tái)的超級(jí)調(diào)用。在半虛擬化中,客戶機(jī)操作系統(tǒng)和虛擬化平臺(tái)必須兼容,否則虛擬機(jī)無法有效操作宿主機(jī)。4vCPU本質(zhì)是一個(gè)結(jié)構(gòu)體,以IntelVT-x為例,vCPU-般可以劃分為兩個(gè)部分:一個(gè)是VMCS結(jié)構(gòu)(VirtualMachineControlStructure,虛擬機(jī)控制結(jié)構(gòu)),其中存儲(chǔ)的是由硬件使用和更新的內(nèi)容,這主要是虛擬寄存器。一個(gè)是VMCS沒有保存而由VMM使用和更新的內(nèi)容,主要是VMCS以外的部分。在具體實(shí)現(xiàn)中,VMM創(chuàng)建客戶機(jī)時(shí),首先要為客戶機(jī)創(chuàng)建VCPU,然后再由VMM來調(diào)度運(yùn)行。整個(gè)客戶機(jī)的運(yùn)行實(shí)際上可以看作是VMM調(diào)度不同的vCPU運(yùn)行。vCPU5(1)vCPU的創(chuàng)建:創(chuàng)建vCPU實(shí)際上是創(chuàng)建vCPU描述符,由于vCPU描述符是一個(gè)結(jié)構(gòu)體,因此創(chuàng)建vCPU描述符就是分配相應(yīng)大小的內(nèi)存。vCPU描述符在創(chuàng)建之后,需要進(jìn)一步初始化才能使用。(2)vCPU的運(yùn)行:vCPU創(chuàng)建并初始化好之后,就會(huì)被調(diào)度程序調(diào)度運(yùn)行,調(diào)度程序會(huì)根據(jù)一定的策略算法來選擇vCPU運(yùn)行。(3)vCPU的退出:和進(jìn)程一樣,vCPU作為調(diào)度單位不可能永遠(yuǎn)運(yùn)行,總會(huì)因?yàn)楦鞣N原因退出,例如執(zhí)行了特權(quán)指令、發(fā)生了物理中斷等,這種退出在VT-x中表現(xiàn)為發(fā)生VM-Exit。對(duì)vCPU退出的處理是VMM進(jìn)行CPU虛擬化的核心,例如模擬各種特權(quán)指令。(4)vCPU的再運(yùn)行:VMM在處理完vCPU的退出后,會(huì)負(fù)責(zé)將vCPU投入再運(yùn)行。vCPU6IntelVT中的VT-x技術(shù)擴(kuò)展了傳統(tǒng)的IA32處理器架構(gòu),為處理器增加了一套名為虛擬機(jī)擴(kuò)展(VirtualMachineExtensions,VMX)的指令集,該指令集包含十條左右的新增指令來支持與虛擬化相關(guān)的操作,為IA32架構(gòu)的處理器虛擬化提供了硬件支持。此外,VT-x引入了兩種操作模式,統(tǒng)稱為VMX操作模式。(1)根操作模式(VMXRootOperation):VMM運(yùn)行所處的模式,以下簡(jiǎn)稱根模式。(2)非根操作模式(VMXNon-RootOperation):客戶機(jī)運(yùn)行所處的模式,以下簡(jiǎn)稱非根模式。IntelVT-x7VMX操作模式如下所示。(1)VMM執(zhí)行VMXON指令進(jìn)入到VMX操作模式,此時(shí)CPU處于VMX根操作模式,VMM軟件開始執(zhí)行。(2)VMM執(zhí)行VMLAUNCH或VMRESUME指令產(chǎn)生VM-Entry,客戶機(jī)軟件開始執(zhí)行,此時(shí)CPU從根模式轉(zhuǎn)換成為非根模式。(3)當(dāng)客戶機(jī)執(zhí)行特權(quán)指令,或者當(dāng)客戶機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)生了中斷或異常,VM-Exit被觸發(fā)而陷入到VMM,CPU自動(dòng)從非根模式轉(zhuǎn)換到根模式。VMM根據(jù)VM-Exit的原因做相應(yīng)處理,然后轉(zhuǎn)到步驟(2)繼續(xù)運(yùn)行客戶機(jī)。(4)如果VMM決定退出,則執(zhí)行VMXOFF關(guān)閉VMX操作模式。IntelVT-x8在AMD的SVM中,有很多東西與IntelVT-x類似。但是技術(shù)上略有不同,在SVM中也有兩種模式:根模式和非根模式在AMD中,引入了一個(gè)新的結(jié)構(gòu)叫做VMCB(VirtualMachineControlBlock,虛擬機(jī)控制塊),來更好地支持CPU的虛擬化。一個(gè)VMCB對(duì)應(yīng)一個(gè)虛擬的CPU相關(guān)狀態(tài),例如,這個(gè)VMCB中包含退出領(lǐng)域,當(dāng)VM-Exit發(fā)生時(shí)會(huì)讀取里面的相關(guān)信息。此外,AMD還增加了八個(gè)新指令操作碼來支持SV

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