Intel Vt虛拟化筆記

源碼 + 手冊 + 開發/應用。vt技術學習需要時間沉澱，去年學習保護模式對vt做了簡單的學習，時間久了知識還是忘記了。

源碼使用ke_github開源代碼，Intel手冊19~31章，從0~1了解+編寫代碼，應用開發VT-EPT_API-Monitor。

學習方法：站在巨人的肩膀

19~31章節認真閱讀了解，子產品化片斷寫成代碼，順帶鍛煉英語閱讀能力。
主要是了解思路，自己先依據手冊寫代碼。以應用為導向，開發自己的vt api監控。

19章：

IA-32擴充支援Virtual-machine monitors(VMM)/Guest software，VMM完全控制處理器和其他平台硬體，能夠保留處理器資源，實體記憶體，中斷管理和IO。來賓這裡初略了解成節點虛拟機
VMX兩種,VMM運作在VMX root，Guest software運作在non-root，轉換至VMX non-root叫做VM條目，VMX non-root轉換到VMX叫做VMX exit.這個過程就像進門和出門兩個概念。

了解VMM生命周期

軟體進入VMX操作用 VMXON指令
使用VM進入，利用VMLAUNCH VMRESUME進入Guest virtual machines,VM exit重新擷取控制
VM傳輸控制退出到VMM指定入口點，根據退出原因處理，vm條目傳回虛拟機
VMXOFF實作關閉離開虛拟機

VMX non-root 轉換 VMX是 virtual-machine control structure(VMCS)控制，VMSC指針來通路結構體(64bit)，分别使用VMPTRST/VMPTRLD讀寫結構，VMREAD/VMWRITE/VMCLEAR指令配置，軟體進入VMX操作之前，必須支援VMX。

if(CPUID.1:ECX.VMX[bit 5] == 1)

{

  支援VMX

}

通過CR4.VMXE[bit 13] == 1開啟VMX，通過VMXON進入，如果VMXE==0會有觸發異常

VMXON由IA32_FEATRUE_CONTROL_MSR控制.

VMX限制操作，不可以處在A20模式，INIT信号會被阻塞，VMX需要CR0.PE/CR0.NE/CR0.PG/CR4.VMXE标志位為1，保護模式/分頁模式才可以運作MVX操作，這說明來賓不可以在非分頁模式下。

本章組要介紹了VMM/VMX/Guest概念，VMX生命周期指令，重要的是VMX支援條件。

20章

VMX非根操作，VMCLEAR/CMPTRLD/VMREAD/VMWRITE，每個處理器将記憶體中的一個區域，與VMCS關聯，被稱為VMCS regIon.通過64-bit 位址來引用，這就是VMCS pointer。

必須在4kb的邊界上對其指針(bit 11:0必須為0)，VMPTRLD可以讓VMCS活躍，還有介紹了一些其它指令和VMCS關聯

VMCS區域最多4kb，區域格式

VMCS前32Bit是revision identifier，不同的格式維護VMCS，使用VMCS之前需要填充VMCS revision identifier，如何與處理器标志版本不用，VMPTRLD則失敗。

記下來的32-bit則是abort indicator，這些位不會幹擾處理器，如果發生了VMX中止，則執行這些位，這區域記錄中止相關資料。

剩下區域是VMCS資料，用來控制non-root VMX disecover VMX等，特定格式實作，明天繼續。

VMCS

1) Guest-state area：

每個VM條目從這些字段加載處理器狀态，并且存儲在VM出口的字段中。

Register

控制寄存器 CR0，CR3，CR4 64-bit

調試寄存器 DR7 64-bit

RSP,RIP,RFLAGS 64-bit

CS,SS,DS,ES,FS,GS,LDTR,TR，關于段寄存器介紹

Non-Register

活動狀态(32bit)：

Active 時候處理器正常執
1	HLT 執行HLT指令，處理器不活動
2	Shutdown 處理不活動，三重故障嚴重錯誤
3	Wait-for-SIPI 處理不活躍，等待IPI重新開機

可中斷狀态(32bit)

0 STL中斷，STL設定的EFLAGS （IF-bit）RFLAGS.IF = 0

1 MOV SS 疑問：

2 SMI

3 NMI

31:4

等待異常調試(64-bit)：

3:0 B3-B0 即使沒有DR7支援，每一個位都可以辨別

11:4 這個标志位保留，如果不是0 VM進入失敗

12 bit開啟斷點

13 保留

14 BS 單步觸發

63:15

VMCS link pointer(64bit) 設定成FFFFFFFF_FFFFFFFFH 避免進入VM失敗

2) Host-state area：

從VM exits加載狀态

CR0,CR3,CR4,RSP,RIP

3) VM-execution control fields:

VM執行控制VMX non-root操作，決定了VM退出原因（一定程度）

建構32向量處理異步事件(比如中斷)

基于引腳的VM執行

VMX non-root

0：擴充中斷退出，如果為1的話，VM外部中斷則退出，否則傳遞至IDT。如果為1， RFLAGS.IF不影響。

3：NMI擴充，如果為1的話，非掩碼中斷導緻VM退出

5：虛拟NML，如果為1意味着違背NMI阻塞。

基于處理器的VM執行

異常位圖

I/O位圖位址

時間戳偏移

Guest/Host CR0 CR4

CR3-Target Controls

如果在VM non-root下執行MOV CR3不會導緻VM退出，如果CR3目标計數為0，則會導緻VM退出，目标計數大于4，VM條目失敗，MSR IA32_VMX_MISC。VMCS-pointer用于管理中斷SMI和系統管模式SMM。

4) VM-exit control fields: VM出口

生成32-bit向量，負責VM退出

9：主機位址空間大小，對于不持支Inetl 64必須為0

15：退出時候确認中斷

5) VM-entry control fields：VM入口

9 IA-32e mode guest

10 進入SMM

11 停用雙重監控

6) VM-exit information fields

7) VM執行/退出/進入統稱 VMX controls

通路VMCS需要遵循的規則

處理器是否提供VM exit 資訊MSR IA32_VMX_BASIC來确定，不可以在多個邏輯處理器活動，

MVCS遷移至另一個處理器，第一個處理器VMCS執行VMCLEAR，保證不活動且VMPTRLD之前。
應該使用VMREAD/VMWRITE來通路VMCS資料
vm條目進入VMCS之前應該初始化全部條目

24章

System Management mode (SMM) Overvlew

SMM是特殊的模式，如處理電源管理，系統硬體控制或專有的OEM設計代碼，他供系統硬體使用，好處提供了獨特易于隔離的處理器環境，透明的運作。

當通過系統中斷(SMI)調用SMM時候，儲存處理器上下文，處理器切換到一個分離的位址控件，SMM指定代碼透明執行，如磁盤未關閉之類的，SMI處理完成後，RSM指令使處理器重新加載已儲存的上下文，切換回實際模式，回複執行中斷的應用程式或任務。

進入SMM的唯一方法是SMI。
處理器執行SMM代碼在單獨的位址控件SMRAM，其它無權通路。
進入SMM，處理器儲存被中斷程式或任務上線文。
進入SMM，全部中斷通常由作業系統處理禁用。
RSM隻能在SMM中執行。
SMM進行中，不支援引入的實體擴充PAE機制。
SMM像實模式一樣，沒有特權等級和位址映射。
System management mode and Virtual-machine extensions Operation

預設方式：系統固件處理SMI，處理器進入SMM時候儲存VMX狀态，SMI處理完成，使用RSM恢複VMX操作。

雙從螢幕：兩個VM螢幕協同處理SMIs：一個VMM在SMM之外運作，為Guest 提供支援，另一個運作在SMM内部，支援系統管理功能

System Management Interrupt(SMI)

當處理器在SMM中SMI禁用狀态：

進入SMM，當接收到SMI，等地所有指令退出/存儲完成，儲存處理器上線文至SMRAM，進入SMM執行SMI處理程式。進入到處理器後，SMM處理器向外部發送信号告訴已開始處理SMM，SMI優先級最高

SMRAM
SMRAM映射到實體記憶體大小可達4GB，預設的64kb，30000H，SMBASE+8000H查找第一條SMI指令，将處理器狀态存儲在SMBASE+FE00H~SMBASE+FFFFH。

百度相關文獻的時候，發現一篇翻譯SMM，發現自己英語太差了，是以學習翻譯版該章節

https://blog.csdn.net/humanof/article/details/94621498

25章

VMX系統程式設計概述，每一個VM就如一個完整的虛拟機，運作最特權級别，并擁有底層硬體所屬權.VMM控制建立VM，管理VM與VM之間的轉換情況，VMM允許VM共享底層硬體且隔離。

實模式的來賓模式：

通過VMM使用快速指令集仿真器

Intel Vt虛拟化筆記

進入VMX之前必須申請一個VMXON區域，VMM通過IA32_VMX_BASIC MSR讀取VMCS，使用4KByte對齊的實體記憶體區域建立此大小的VMCS區域，軟體不能讀取和寫入VMCS區域。

VMM通過VMPTRLD指令辨別目前VMCS，隻能通過VMREAD/VMWRITE進行VMCS讀寫操作。

a) VMX處理和轉換，從外部VMX操作VMXON，進入到根VMX操作，VM條目進入意味着根VMX轉換到了非根VMX，VM 條目退出是從VMX non-root轉換成VMX。

VMM安裝和解除安裝

VMX之前需要確定分頁下運作:

檢測CPUID是否支援VMX
通過MSRs确認處理器支援VMX
MSR指定IA32_VMX_BASIC大小非分頁建立VMXON區域，對其至4kb邊界。
軟體讀取MSR，确定可用的VMXON區域實體範圍，VMXON必須托管在緩存相關記憶體中
初始化VMXON中的前32bit版本号
滿足PE/PG=1，
CR4.VMXE=1啟用VMX操作，確定生成CR4值屬于IA32_VMX_CR4_FIXDE0和FIXDE1固定值
IA32_FEATURE_CONTROL MSR 卻把bit(0) = 1;
使用EFLAGS.CF = 0/VMXON

上述步驟完成，處理器出入VMX root中。

準備和啟動虛拟機
VMM設定和啟動Guest Vm步驟
VMX能力MSR指定的大小不可分頁的記憶體中建立一個VMCS區域IA32_VMX_BASIC并對齊到4KBytes
IA32_VMX_BASIC初始化前32Bit
來賓-VMCS位址執行VMCLEAR結構，初始化記憶體中新的VMCS，且設定為清除。還需要檢測RFLAGS.CF=0/RFLAGS.ZF=0
VMCS位址執行VMPTRLD指令初始化工作
發出一系列VMWRITE用來初始化主機狀态(各類的寄存器)。
VM條目一緻性檢查
處理VM出口
VMREAD讀取确定退出原因
有效資格提供了更多細節
VMCS擷取退出其它字段
VMM适當處理退出條件。
多處理器考慮：
對稱VMM？---不對稱VMM 指的CPU

26章系統資源虛拟化

當VMM托管多個來賓時候，調試設施/位址轉換/實體記憶體/微碼更新設施，調試設施虛拟化支援，Inetl64和IA-32 提供了斷點指令，異常條件，寄存器标志，調試寄存器，控制寄存器和存儲緩沖區，調試系統軟體。

可以對異常進行處理，如int3
可以像Gust注入異常
DR0~DR7
記憶體虛拟化
VMM必須控制實體記憶體，確定實體隔離，重新映射主機與來賓之間的記憶體位址關系。
需要支援來賓虛拟化，包括所有模式，VMM可以利用分頁結構來支援虛拟化記憶體。VMM可以再來賓和線性位址之間映射一個平面頁表。
VMX提供給VMM提供了VM完全監視（PAT/MSR/MTRR），VMM給VM提供連續的記憶體控件，從0開始直到VM支援的最大位址。
為了解決來賓軟體可以随意的修改頁表(VMM)，是以活動頁表和來賓頁表結構可能有所不一，那麼利用TLB可以解決這個問題。允許來賓自由通路頁面目錄和頁表，陷阱發生在CR3通路和執行，INVLPG上，VMM維護了一個可供可選擇的頁表層次結構，VMM支援TLB。

28章

virtual-processor identfiers VIPDs，可以通過VPID來切換線性位址，VMX會儲存緩存資訊。

目前VPID為0的時候：

VMX root 操作
VMX 非root

EPT使用的時候，來賓的實體位址通過周遊一組EPT分頁來結果用于通路記憶體的實體位址。
如果CR0.PG=0，每個線性位址将視為來賓位址
如果CR0.PG=1，都是來賓分頁派生的位址
如果PG=1/CR4.PAE = CR4.PSE = 0

VM程式設計

1) 檢測系統版本

2) 檢測是否支援VMX

// See: DISCOVERING SUPPORT FOR VMX