X86 操作系统是设计在直接运行在裸硬件设备上的,因此它们自动认为它们完全占有计算机硬件。x86 架构提供四个特权级别给操作系统和应用程序来访问硬件。 Ring 是指 CPU 的运行级别,Ring 0是最高级别,Ring1次之,Ring2更次之…… 就 Linux+x86 来说,
- 操作系统(内核)需要直接访问硬件和内存,因此它的代码需要运行在最高运行级别 Ring0上,这样它可以使用特权指令,控制中断、修改页表、访问设备等等。
- 应用程序的代码运行在最低运行级别上ring3上,不能做受控操作。如果要做,比如要访问磁盘,写文件,那就要通过执行系统调用(函数),执行系统调用的时候,CPU的运行级别会发生从ring3到ring0的切换,并跳转到系统调用对应的内核代码位置执行,这样内核就为你完成了设备访问,完成之后再从ring0返回ring3。这个过程也称作用户态和内核态的切换。
那么,虚拟化在这里就遇到了一个难题,因为宿主操作系统是工作在 ring0 的,客户操作系统就不能也在 ring0 了,但是它不知道这一点,以前执行什么指令,现在还是执行什么指令,但是没有执行权限是会出错的。所以这时候虚拟机管理程序(VMM)需要避免这件事情发生。 虚机怎么通过 VMM 实现 Guest CPU 对硬件的访问,根据其原理不同有三种实现技术:
1. 全虚拟化
2. 半