0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

Intel和AMD的两种CPU硬件辅助虚拟化技术

汽车玩家 来源:启迪云Tuscloud 作者:启迪云Tuscloud 2020-01-20 17:46 次阅读

目前主要有Intel的VT-x和AMD的AMD-V这两种技术。其核心思想都是通过引入新的指令和运行模式,使VMM和Guest OS分别运行在不同模式(ROOT模式和非ROOT模式)下,且Guest OS运行在Ring 0下。通常情况下,Guest OS的核心指令可以直接下达到计算机系统硬件执行,而不需要经过VMM。当Guest OS执行到特殊指令的时候,系统会切换到VMM,让VMM来处理特殊指令。

1、Intel VT-x技术

为弥补x86处理器的虚拟化缺陷,市场的驱动催生了VT-x,Intel推出了基于x86架构的硬件辅助虚拟化技术Intel VT(Intel Virtualization Technology)。

目前,Intel VT技术包含CPU、内存和I/O三方面的虚拟化技术。CPU硬件辅助虚拟化技术,分为对应安腾架构的VT-i(Intel Virtualization Technology for ltanium)和对应x86架构的VT-x(Intel Virtualization Technologyfor x86)两个版本。内存硬件辅助虚拟化技术包括EPT(Extended Page Table)技术。I/0硬件辅助虚拟化技术的代表hatelVY-d(Intel Virtualization Technology for Directed I/0)。

IntelVT-x技术解决了早期x86架构在虚拟化方面存在的缺陷,可使未经修改的GuestOS运行在特权级0,同时减少VMM对Guest OS的干预。Intel VT-d技术通过使VMM将特定I/O设备直接分配给特定的Guest OS,减少VMM对I/O处理的管理,不但加速数据传输,且消除了大部分性能开销。如下图所示。CPU硬件辅助虚拟化技术简要说明流程图:

Intel和AMD的两种CPU硬件辅助虚拟化技术

效法IBM 大型机,VT-x提供了2 个运行环境:根(Root)环境和非根(Non-root)环境。根环境专门为VMM准备,很像原来没有VT-x 的x86,只是多了对VT-x 支持的几条指令。非根环境作为一个受限环境用来运行多个虚拟机。

Intel和AMD的两种CPU硬件辅助虚拟化技术

如上图所示,根操作模式与非根操作模式都有相应的特权级0至特权级3。VMM运行在根模式的特权级0,GuestOS的内核运行在非根模式的特权级0,GuestOS的应用程序运行在非根模式的特权级3。运行环境之间相互转化,从根环境到非根环境叫VMEntry;从非根环境到根环境叫VMExit。VT-x定义了VMEntry操作,使CPU由根模式切换到非根模式,运行客户机操作系统指令。若在非根模式执行了敏感指令或发生了中断等,会执行VMExit操作,切换回根模式运行VMM。

根模式与非根模式之问的相互转换是通过VMX操作实现的。VMM 可以通过VMXON 和VMXOFF打开或关闭VT-x。如下图所示:

Intel和AMD的两种CPU硬件辅助虚拟化技术

VMX操作模式流程:

1)、VMM执行VMXON指令进入VMX操作模式。

2)、VMM可执行VMLAUNCH指令或VMRESUME指令产生VM Entry操作,进入到Guest OS,此时CPU处于非根模式。

3)、Guest 0S执行特权指令等情况导致VMExit的发生,此时将陷入VMM,CPU切换为根模式。VMM根据VMExit的原因作出相应处理,处理完成后将转到2),继续运行GuestOS。

4)、VMM可决定是否退出VMX操作模式,通过执行VMXOFF指令来完成。

为更好地支持CPU虚拟化,VMX新定义了虚拟机控制结构VMCS(Virtual Machine ControlStructure)。VMCS是保存在内存中的数据结构,其包括虚拟CPU的相关寄存器的内容及相关的控制信息。CPU在发生VM Entry或VMExit时,都会查询和更新VMCS。VMM也可通过指令来配置VMCS,达到对虚拟处理器的管理。VMCS架构图如下图所示:

Intel和AMD的两种CPU硬件辅助虚拟化技术

每个虚拟处理器都需将VMCS与内存中的一块区域联合起来,此区域称为VMCS区域。对VMCS区域的操纵是通过VMCS指针来实现的,这个指针是一个指向VMCS的64位的地址值。VMCS区域是一个最大不超过4KB的内存块,且需4KB对齐。

VMCS区域分为三个部分:偏移0起是VMCS版本标识,通过不同的版本号,CPU可维护不同的VMCS数据格式;偏移4起是VMX中止指示器,在VMX中止发生时,CPU会在此处存入中止的原因;偏移8起是VMCS数据区,这一部分控制VMX非根操作及VMX切换。

VMCS 的数据区包含了VMX配置信息:VMM在启动虚拟机前配置其哪些操作会触发VMExit。VMExit 产生后,处理器把执行权交给VMM 以完成控制,然后VMM 通过指令触发VMEntry 返回原来的虚拟机或调度到另一个虚拟机。

VMCS 的数据结构中,每个虚拟机一个,加上虚拟机的各种状态信息,共由3个部分组成,如之前的VMCS架构图所示:

1)、Gueststate:该区域保存了虚拟机运行时的状态,在VMEntry 时由处理器装载;在VMExit时由处理器保存。它又由两部分组成:

Guest OS寄存器状态。它包括控制寄存器、调试寄存器、段寄存器等各类寄存器的值。

Guest OS非寄存器状态。用它可以记录当前处理器所处状态,是活跃、停机(HLT)、关机(Shutdown)还是等待启动处理器间中断(Startup-IPI)。

2)、Hoststate:该区域保存了VMM 运行时的状态,主要是一些寄存器值,在VMExit 时由处理器装载。

3)、Control data:该区域包含几部分数据信息,分别是:

虚拟机执行控制域(VM-Execution control fields)。VMM 主要通过配置该区域来控制虚拟机在非根环境中的执行行为。基于针脚的虚拟机执行控制。它决定在发生外部中断或不可屏蔽中断(NMI)要不要发生VMExit。基于处理器的虚拟机执行控制。它决定虚拟机执行RDTSC、HLT、INVLPG 等指令时要不要发生VMExit。

VMExit 控制域(VMExit control fields)。该区域控制VMExit 时的行为。当VMExit 发生后处理器是否处于64 位模式;当因为外部中断发生VMExit 时,处理器是否响应中断控制器并且获得中断向量号。VMM 可以用它来定制当VMExit 发生时要保存哪些MSR 并且装载哪些MSR。MSR是CPU的模式寄存器,设置CPU的工作环境和标识cpu的工作状态。

VMEntry 控制域(VMEntry control fields)。该区域控制VMEntry 时的行为。它决定处理器VMEntry 后是否处于IA-32e 模式。与VMExit 的MSR控制类似,VMM 用它来定制当VMEntry 发生时要装载哪些MSR。VMM 可以配置VMEntry 时通过虚拟机的IDT向其发送一个事件。在此可以配置将使用IDT 的向量、中断类型(硬件或软件中断)、错误码等。

VMExit 信息域(VMExit information fields)。该只读区域包括最近一次发生的VMExit 信息。试图对该区域执行写操作将产生错误。。此处存放VMExit 的原因以及针对不同原因的更多描述信息、中断或异常向量号、中断类型和错误码、通过 IDT 发送事件时产生的VMExit 信息、指令执行时产生的 VMExit 信息。

有了VMCS结构后,对虚拟机的控制就是读写VMCS结构。后面对vCPU设置中断,检查状态实际上都是在读写VMCS数据结构。

2、AMD-V技术

我们在上面小节介绍了 Intel 的硬件辅助虚拟化技术,那么 AMD 的硬件辅助虚拟化技术又有什么特点呢?AMD 从 2006 年便开始致力于硬件辅助虚拟化技术的研究,AMD-V全称是AMD Virtualization,AMD-V从代码的角度分别称为 AMD和 SVM,AMD开发这项虚拟化技术时的内部项目代码为Pacifica,是AMD推出的一种硬件辅助虚拟化技术。

Intel和AMD的两种CPU硬件辅助虚拟化技术

Intel VT-x 和 AMD-V 提供的特征大多功能类似,但名称可能不一样,如 Intel VT-x 将用于存放虚拟机状态和控制信息的数据结构称为 VMCS, 而 AMD-V 称之为VMCB;Intel VT-x 将 TLB 记录中用于标记 VM 地址空间的字段为 VPID, 而AMD-V 称之为 ASID;Intel VT-x 将二级地址翻译称之为 EPT, AMD 则称为 NPT,等等一些区别。尽管其相似性,Intel VT-x 和 AMD-V 在实现上对 VMM 而言是不兼容的。

AMD-V 在 AMD 传统的x86-64 基础上引入了“guest”操作模式。“guest”操作模式就是 CPU 在进入客操作系统运行时所处的模式。“guest”操作模式为客操作系统设定了一个不同于 VMM 的运行环境而不需要改变客操作系统已有的 4 个特权级机制,也就是说在“guest”模式下,客操作系统的内核仍然运行在 Ring 0, 用户程序仍然在 Ring 3。裸机上的操作系统和 VMM 所在的操作模式依然和传统的 x86 中一样,且称之为“host”操作模式。VMM 通过执行 VMRUN 指令使CPU 进入“guest”操作模式而执行客操作系统的代码;客操作系统在运行时,遇到敏感指令或事件,硬件就执行 VMEXIT 行为,使 CPU 回到“host”模式而执行 VMM 的代码。VMRUN 指令运行的参数是一个物理地址指针,其指向一个 Virtual Machine Control Block (VMCB) 的内存数据结构, 该数据结构包含了启动和控制一个虚拟机的全部信息。

Intel和AMD的两种CPU硬件辅助虚拟化技术

“guest”模式的意义在于其让客操作系统处于完全不同的运行环境,而不需要改变客操作系统的代码。“guest”模式的设立在系统中建立了一个比 Ring 0 更强的特权控制,即客操作系统的 Ring 0 特权必须让位于 VMM 的 Ring 0 特权。客操作系统上运行的那些特权指令,即便是在 Ring 0 上也变的可以被 VMM 截取的了,“Ring Deprivileging”由硬件自动搞定。此外,VMM 还可以通过 VMCB 中的各种截取控制字段选择性的对指令和事情进行截取,或设置有条件的截取,所有的敏感的特权或非特权指令都在其控制之中。

Intel和AMD的两种CPU硬件辅助虚拟化技术

VMCB 数据结构主要包含如下内容 :

1. 用于描述需要截取的指令或事件的字段列表。其中 :

2 个 16 位的字段用于控制对 CR 类控制寄存器读写的截取

2 个 16 位的字段用于控制对 DR 类调试寄存器的读写的截取

一个 32 位的字段用于控制 exceptions 的截取

一个 64 位的字段用于控制各种引起系统状态变化的事件或指令的截取,如 INTR, NMI, SMI 等事 件, HLT, CPUID,INVD/WBINVD,INVLPG/INVLPGA,MWAIT 等指令, 还包括两位分别标志是否对 IO 指令和 MSR 寄存器的读写进行控制

指向IO端口访问控制位图和MSR读写控制位图的物理地址指针字段。该位图用于差别性地控制虚拟机对不同的 IO 端口和 MSR 寄存器进行读写访问。

描述虚拟机CPU状态的信息。包含除通用寄存器外的大部分控制寄存器,段寄存器,描述符表寄存器,代码指针等。RAX 寄存器也在其中,因为 RAX 在 VMM 执行 VMRUN 时是用来存放VMCB 物理地址的。对于段寄存器,该信息中还包含段寄存器对应的段描述符,也就那些传统 x86 上对软件隐藏的信息。

对虚拟机的执行进行控制的字段。主要是控制虚拟机中断和 NPT 的字段。

指示虚拟机进入“guest”模式后要执行的行动的字段。包括用来描述 VMM 向虚拟机注入的中断或异常的信息的字段。注入的中断或异常在 VMRUN 进入“guest”模式后立即执行,就象完全发生在虚拟机内一样。

提供VMEXIT信息的字段。包括导致 VMEXIT 的事件的代码,异常或中断的号码,page fault 的线性地址,被截获的指令的编码等。

Intel和AMD的两种CPU硬件辅助虚拟化技术

VMCB 以及其涉及的控制位图,完全通过物理地址进行指向,这就避免了“guest”和“host”模式切换的过程依赖于“guest”空间的线性地址 ( 传统操作系统内用户空间到内核的切换确实依赖于 IDT 中提供的目标的线性地址 ),使得 VMM 可以采用和客操作系统完全不同的地址空间。

VMCB 的内容在物理上被分成了俩部分,其中用于保存虚拟机 CPU 状态的信息占据 2048 字节的后半部分,我们可称之为 VMCB.SAVE;其他信息,占据前 1024 字节范围,我们可称之为 VMCB.CONTROL。

VMRUN 命令以 VMCB 为参数,使CPU 进入“guest”状态, 按 VMCB.SAVE 的内容恢复虚拟机的 CPU 寄存器状态,并按 VMCB.SAVE 中 CS:RIP 字段指示的地址开始执行虚拟机 的代码, 并将之前 VMM 的 CPU 状态保存在MSR_VM_HSAVE_PA 寄存器所指向的物理内存区域中。VMRUN 所保存的 VMM 的 CPU状态的 CS:RIP 实际上就是 VMM 的代码中 VMCB 的下一个指令,当虚拟机因某种原因而导致 #VMEXIT 时,VMM 会从 VMRUN 后的一条指令开始执行。CPU 执行 #VMEXIT 行为时,会自动将虚拟机的状态保存到 VMCB.SAVE 区,并从 MSR_VM_HSAVE_PA 指定的区域加载 VMM 的 CPU 状态。

VMLOAD 和 VMSAVE 指令是对 VMRUN 的补充,他们用来加载和恢复一些并不需要经常使用的 CPU 状态,如 FS, GS, TR, LDTR 寄存器以及其相关的隐含的描述符寄存器的内容,VMLOAD 和 VMSAVE 可以让 VMM 的实现对“guest”进入和退出的过程进行优化,让多数情况下只使用 VMRUN 进行最少的状态保存和恢复。

VMMCALL 指令是 AMD-V 为客操作系统内核提供的明确的功能调用接口,类似于 syscall 指令 ( 从 Ring3 到 Ring 0), VMMCALL 让客操作系统直接执行 #VMEXIT 而进入 VMM,请求VMM 的服务。

3、总结

回顾一下CPU虚拟化技术的实现,纯软件的CPU虚拟化使用了陷入-模拟的模式来模拟特权指令,而在x86架构中由于只能模拟特权指令,无法模拟某些敏感指令而无法实现完全的虚拟化。(在x86架构中,特权指令一定是敏感指令,但是敏感指令比特权指令多,造成某系敏感指令不是特权指令而无法模拟,使得CPU虚拟化异常),而硬件辅助虚拟化引入了根模式(root operation)和非根模式(none-root operation),每种模式都有ring0-3的四级特权级别。所以,在硬件辅助虚拟化中,陷入的概念实际上被VM-EXIT操作取代了,它代表从非根模式退出到根模式,而从根模式切换到非根模式是VM-Entry操作。

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • amd
    amd
    +关注

    关注

    25

    文章

    5466

    浏览量

    134098
  • cpu
    cpu
    +关注

    关注

    68

    文章

    10855

    浏览量

    211592
  • intel
    +关注

    关注

    19

    文章

    3482

    浏览量

    185928
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    AMD即将推出的 Hawk Point Refresh“Ryzen 200”APU 将应对 Intel 的 Raptor Lake Refresh “Core 200”CPU

    AMD 即将推出的 Hawk Point Refresh“Ryzen 200”APU 将应对 Intel 的 Raptor Lake Refresh “Core 200”CPU Team Red
    的头像 发表于 11-28 15:28 334次阅读
    <b class='flag-5'>AMD</b>即将推出的 Hawk Point Refresh“Ryzen 200”APU 将应对 <b class='flag-5'>Intel</b> 的 Raptor Lake Refresh “Core 200”<b class='flag-5'>CPU</b>

    深入KVM虚拟之构建高效、可扩展的虚拟环境

    的计算机,而且每个逻辑计算机 它可以是不同操作系统 虚拟技术:可以扩大硬件容量,单个cpu模拟出多个c
    的头像 发表于 11-26 17:22 229次阅读
    深入KVM<b class='flag-5'>虚拟</b><b class='flag-5'>化</b>之构建高效、可扩展的<b class='flag-5'>虚拟</b><b class='flag-5'>化</b>环境

    两种转换控制模式Zone 1 Transfer和Zone 2 Transfer怎么区分使用?

    两种转换控制模式Zone 1 Transfer和Zone 2 Transfer怎么区分使用?现在想用Zone 1 Transfer模式,硬件或软件上应该怎么设置?
    发表于 11-19 06:20

    AMD数据中心业务收入超越Intel

    领导者Intel。 相比之下,Intel的数据中心和AI业务收入为33.49亿美元,虽然同比增长了9%,但在与AMD的竞争中略显逊色。这一数据对比凸显了AMD在数据中心市场上的强劲增长
    的头像 发表于 11-07 11:10 375次阅读

    云计算中的虚拟技术应用

    云计算中的虚拟技术是一将计算机物理实体(如服务器、存储设备、网络设备)通过软件技术划分为多个虚拟
    的头像 发表于 10-24 09:22 609次阅读

    噪声传导的两种模式

    噪声传导有两种模式,一为差模传导,一为共模传导。
    的头像 发表于 10-15 11:33 281次阅读
    噪声传导的<b class='flag-5'>两种</b>模式

    Linux应用层控制外设的两种不同的方式

    众所周知,linux下一切皆文件,那么应用层如何控制硬件层,同样是通过 文件I/O的方式来实现的,那么应用层控制硬件层通常有两种方式。
    的头像 发表于 10-05 19:03 448次阅读
    Linux应用层控制外设的<b class='flag-5'>两种</b>不同的方式

    两种常见的硬件消抖实现方式

    由于机械按键在操作过程中会产生抖动现象,这种抖动信号如果不加以处理,就可能导致单片机等电子设备误判按键状态,从而引发错误操作。本文将详细介绍两种常见的硬件消抖实现方式:RS触发器和电容滤波。 RS
    的头像 发表于 09-25 16:54 1134次阅读
    <b class='flag-5'>两种</b>常见的<b class='flag-5'>硬件</b>消抖实现方式

    晶闸管的阻断状态有两种是什么

    晶闸管(Thyristor)是一半导体器件,具有单向导电性,广泛应用于电力电子领域。晶闸管的阻断状态有两种:正向阻断状态和反向阻断状态。以下是对这两种阻断状态的分析。 正向阻断状态 正向阻断状态
    的头像 发表于 08-14 16:49 687次阅读

    wdm设备的两种传输方式

    系统中,有多种传输方式,其中最常见的两种是密集波分复用(DWDM)和粗波分复用(CWDM)。 1. 密集波分复用(DWDM) 1.1 DWDM技术原理 密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing,简称DWDM)是一
    的头像 发表于 07-18 09:45 470次阅读

    增强现实技术(AR)和虚拟现实技术(VR)的区别?

    增强现实技术(AR)和虚拟现实技术(VR)是两种不同的技术,它们在许多方面都有明显的区别。以下是对这两种
    的头像 发表于 07-04 11:40 1153次阅读

    cpu控制器的两种类型和特点

    CPU控制器,即中央处理器控制器,是计算机硬件的核心部件之一,负责执行程序指令和控制计算机的运行。CPU控制器的类型和特点对于计算机的性能和效率有着重要的影响。本文将详细介绍CPU控制
    的头像 发表于 06-30 10:59 1278次阅读

    2023年硬件趋势:英特尔消费端CPU领先,AMD工作站CPU领先

    这家总部位于美国华盛顿奥本市的定制计算机厂商表示:“我们看到,自 2021 年开始,客户对 AMD Ryzen 5000 系列 CPU 的认可度逐步提升,然而随着 Intel 第 12 代 Alder Lake 芯片登场,
    的头像 发表于 03-06 14:07 911次阅读

    数据中心CPU市场:国内厂商面临巨大挑战

    全球 CPU 商用市场基本被 IntelAMD 家垄断,国产 CPU 具备广阔拓展空间。CPU
    发表于 01-29 10:36 762次阅读
    数据中心<b class='flag-5'>CPU</b>市场:国内厂商面临巨大挑战

    超融合和虚拟的区别

    景。 一、超融合(Hyper-convergence)的定义和原理 超融合是一集成了计算、存储、网络和虚拟等功能的技术架构,它将不同的硬件
    的头像 发表于 01-15 10:36 4228次阅读