38、硬件辅助虚拟化与研究框架搭建

硬件辅助虚拟化与研究框架搭建

1. 硬件辅助虚拟化技术

早期在没有硬件辅助虚拟化技术时，x86 架构实现虚拟化存在诸多限制。大约在 2005 年，出现了两种主要的硬件扩展实现：Intel 虚拟化技术扩展（VT - x）和 AMD 虚拟化（AMD - V）。这里主要介绍 VT - x 的相关内容。

1.1 VMX 指令集与操作模式

Intel 引入了虚拟机扩展（VMX）指令集，新增了两种处理器执行模式：VMX 根操作模式和 VMX 非根操作模式。VMM 软件在 VMX 根模式下运行，而虚拟机则在 VMX 非根模式下运行。需要注意的是，VMX 操作模式与环级别是完全无关的，在 VMX 非根模式下的虚拟机可以在任何环级别执行代码，这解决了环压缩的问题。

从根模式到非根模式的转换称为 VM - Enter，从非根模式到根模式的转换称为 VM - Exit。VM - Exit 类似于 Goldberg 硬件虚拟化器中描述的软件不可见陷阱机制。借助 VMX 操作模式引入的新陷阱机制，VMM 不再需要为虚拟化目的使用 IDT，但仍需用它来处理硬件异常和中断。

1.2 虚拟机控制结构（VMCS）

在 VMX 根模式下可以访问虚拟机控制结构（VMCS）。通过操作这个结构，VMM 可以控制许多虚拟化方面，包括 VMX 模式转换行为。通常，每个虚拟机的每个虚拟处理器都会分配一个 VMCS，但每个物理处理器（或考虑 SMT 时的逻辑处理器）只能有一个“当前”VMCS。

VMCS 字段可分为以下几个不同的组：
- “guest - state”区域 ：在 VM - Exi