Magenta- 支持虚拟化

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Magenta- 支持虚拟化

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Magneta实现了类似于Kvm+Qemu一套东西，但要简单得多，当前只支持在物理magenta上虚拟运行另一个magenta实例。

Mageta目前只支持x86，类似于Kvm，利用了x86的Intel-VT （Virtualization Technology）技术，在VMX root operation 和 VMX non-root operation间切换。类似于Qemu，Magenta也有user space的service，当前只支持I/O操作和空间访问异常操作。

Magenta提供了guest命令作为虚拟化运行的入口。命令的使用方式如下：

usage：guest kernel.bin [ramdisk.bin]
kernel.bin:   指magenta.bin文件
ramdisk.bin:  指ramdisk image文件

接下来我们看看命令guest的流程。

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创建Hypervisor object

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Magenta分别为Hypervisor和Guset创建对应的Context，以方便管理各自的状态和2者间的切换。

using HypervisorContext = VmxonContext;
using GuestContext = VmcsContext;

Hypervisor object实际指向的就是VmxonContext，这是个单实例。

• VmxonContext为每个CPU分配一个VmxonPerCpu实例；
• VmxonPerCpu做如下初始化：
  
  • 其会为本CPU分配1个page，作为将来指令vmxon的参数之用；
  • 每个CPU使能vmxon

至此，CPU进入了VMX root operation模式。

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创建guest物理mem

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在当前进程的地址空间上为guest创建物理mem空间，大小为1GB。

• 创建1个大小为1GB的vmo；
• 将此vmo映射至当前进程。在映射时，会分配物理页填满此1G空间。

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创建guest object

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guest的context是VmcsContext，所以其object指向此context。

• 创建一个Fifo，作为将来kernel和user的交互通道；
• 创建VmcsContext：
  
  • 为每个CPU分配VmcsPerCpu实例；
  • 基于前面所创建的guest物理mem空间，创建GuestPhysicalAddressSpace对象
    
    • 分配1个page，作为guest空间的页目录，为guest创建256G的虚拟地址空间；
    • 将 guest物理mem映射进guest地址空间，是以ExtendedPageTable（EPT）的方式映射；
  • 分配1个page，将其映射到guest空间的APIC_PHYS_BASE=0xfee00000处，后期在设置vmcs的APIC_ACCESS_ADDRESS时需要使用到此page；
  • 将IO-Apic物理基地址0xfec00000的映射从guest空间中去除，后期guest在访问IO-Apic时会trap进kernel，由kernel通过Fifo将消息传递至user，从而由user处理此事件；
  • 为每个CPU初始化VmcsPerCpu；
  • 配置vmcs，这部分太细，想了解的可以看手册《64-ia-32-architectures-software-developer-vol-3c-part-3-manual.pdf》。这里列几部分如下：
    
    • 配置EPT_POINTER指向前面所创建的guest页目录；
    • 配置HOST_RIP指向vmx_exit_entry，这是从guest从non-roo进入root模式的入口；
• 在guest物理mem起始地址处创建页表，页表的覆盖地址范围是1GB；
• 紧接着页表，创建acpi able；
• 在物理mem偏移0x800000处创建bootdata参数，供guest os启动之用。启动参数包括：
  
  • ACPI table；
  • E820 table用于描述物理mem分布；
• 将kernel.bin读取至物理mem的偏移0x100000处；解析kernel.bin的header，得到其entry函数地址；
• 如果提供了ramdisk，则将其加载至bootdata之后；
• 配置VmcsPerCpu的general purpose register (gpr），即配置guest的gpr。将寄存器rsi指向0x800000处，即bootdata处。这是因为Magenta启动时会默认认为rsi寄存器中保存的就是bootdata的地址；
• 将kernel.bin的entry地址设置到guest的寄存器IP；
• 设置guest cr3为0，这是因为页表位于guest物理mem的起始地址，而物理mem在guest空间是从0开始的。
• 创建长度是1个page的vmo，让guest的Local-Apic即VIRTUAL_APIC_ADDRESS指向此vmo的物理页地址；并将此物理页也映射进本进程，以便后期user可以处理虚拟中断；

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创建service线程

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此线程监听Fifo消息，如果接收到kernel的消息，则解析消息并处理。当前只支持3种消息类型：

PORT_IN  
PORT_OUT
MEM_TRAP

当前MEM_TRAP只处理3中类型的trap：

Local-APIC访问异常
IO-APIC访问异常
TPM访问异常

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vm enter

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追后走至VmcsPerCpu的Enter函数：

• 保存host现场，包括CR3，FS 的基地址等等；
• 设置guest的CR3和IP至vmcs；
• 调用函数vmx_enter
  
  • 保存host的gpr，载入guest的gpr（还记得之前设置的rsi吗）；将vmx_enter的返回地址保存为host RIP，从而后期可正常返回；
  • 调用vmlaunch，进入non-root模式

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vmx exit handler

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vm的退出，并不是直接返回指令vmlaunch之后，而是返回至vmx_exit_entry：

• 保存guest的gprs，并加载host的gprs；
• 将返回地址host RIP压栈，以便可以ret返回；
• 重新加载TSS，重新加载IDT。重新加载都是因为2者的描述符的VMX所设的limit默认值不合适；

做完以上的配置后，执行ret后就可返回至vmx_ente之后。然后处理退出事件，当前包括如下事件：

EXTERNAL_INTERRUPT          = 1u,
INTERRUPT_WINDOW            = 7u,
CPUID                       = 10u,
HLT                         = 12u,
VMCALL                      = 18u,
IO_INSTRUCTION              = 30u,
RDMSR                       = 31u,
WRMSR                       = 32u,
ENTRY_FAILURE_GUEST_STATE   = 33u,
ENTRY_FAILURE_MSR_LOADING   = 34u,
APIC_ACCESS                 = 44u,
EPT_VIOLATION               = 48u,
XSETBV                      = 55u,

关于访问Local-APIC和IO-APIC引起的vm exit，两者使用了不同的机制。Local-APIC是利用了VMX的固有功能从而触发了APIC_ACCESS：

44: APIC access. Guest software attempted to access memory at a physical address on the APIC-access page and the“virtualize APIC accesses” VM-execution control was 1 (see Section 29.4). 

而IO-APIC是利用了缺页中断的方式触发了EPT_VIOLATION。

这2种事件经过打包成package后，通过Fifo发送到user的service thread，并等待service的回应；service处理完后再通过Fifo发送结果至handler。