第10章：VT 技术（简单了解+EPT 机制）
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VMM：Virtual Machine Monitor，虚拟机监控器。也称为 “Hypervisior”，特权层(Ring -1)，能够监控操作系统的各种行为。 CR0-CR3:控制寄存器。 CR0：控制处理器操作模式和状态 CR1：保留不用 CR2：导致页面错误的线性地址 CR3：页目录表物理内存基地址 |
VMX 功能启用时，CPU 模式分为 Root 和 non-Root 模式。只有 VMM 可以使用 Root 模式， 操作系统使用 non-Root 模式。
上图中 Guest 0 和 Guest 1 都是虚拟机，没有 VMXOFF指令，就一直处于 #VMExit 和 #VMEntry 的循环中。
记住一点，所有的虚拟操作都是以真实机为主体进行的。
创建一个典型的 VT 技术 HyperVisior 步骤：
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· 分配 VMXON 区域和 VMCS 控制块 · 填写 VMCS 控制块，用于控制要监控什么特权指令等等一系列操作。 · 调用 VMXLaunch 指令启动虚拟机 · 当产生 VMExit 时间后调用 VMExitProc 函数处理 |
要进入 VT ，需要打开 VMX 操作模式，即使用相关的指令。
开启：VMXON -> VMXClear -> VMPTRLD -> VMWrite -> VMLaunch
关闭：VMXOFF
VMXON:开启 VMX 模式,可以执行后续的虚拟化相关指令。
VMXOFF:关闭 VMX 模式，后续虚拟化指令的执行都会失败。
VMLAUNCH:启动 VMCS指向的虚拟机 Guest OS。
VMRESUME:从 Hypervisor 中恢复虚拟机 Guest OS 的执行。
VMPTRLD:激活一块 VMCS,修改处理器当前 VMCS 指针为传入的 VMCS 物理地址。
VMCLEAR:使一块 VMCS 变为非激活状态，更新处理器当前 VMCS 指针为空。
VMPTRST:将 VMCS 存储到指定位置。
VMREAD:读取当前 VMCS 中的数据。
VMWRITE:向当前 VMCS 中写入数据。
VMCALL:Guest OS 和 Hypervisor 交互指令，Guest OS 会产生 #VMExit 而陷入 Hypervisor。
INVEPT:使 TLB 中缓存的地址映射失效。
INVVPID:使某个 VPID 所对应的地址映射失效。
一个 VMCS 就代表一个虚拟操作系统，当 VMPTRLD 指令装载 VMCS 后，就不能直接使用内存操作函数了，而需要使用上面提到的函数。
VMCS 是一个非常复杂的结构，只需要关注关键的参数即可。
在产生 #VMExit 事件时，如果出现问题，系统会发生 VMX Abort 事件。对于一个已经激活的 VMCS，Abort 事件并不会导致 VMCS 数据区被修改。VMX 退出原因指示器会指出发生 VMX Abort 事件的原因，逻辑处理器也会因此进入关闭状态。
VMCS 数据结构
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1.虚拟机状态域 Guest-State Fields #VMEntry 时，即虚拟操作系统运行时，从这个区域加载处理器状态信息。#VMExit 时，处理器状态信息保存在这个区域。 这个区域包含了很多信息，比如各种寄存器，通用寄存器和其它类型的寄存器(MSR、GDTR.....)的部分域，处理器状态信息（处理器状态、可中断状态、VMCS 指针、PDPTE....） 2.宿主机状态域 Host-State Fields #VMExit 时，处理器状态信息从该域加载，恢复 VMM 的执行。域中存储的所有信息都与寄存器相关。例如部分 MSR、段寄存器、IDTR、GDTR... 3.虚拟机执行控制域 VM-Execution Control Fields 可以设置各种退出条件，控制 processor 在虚拟机中的行为，哪些事件会导致 #VMExit，设置 I/O 访问、MSR 寄存器访问、CR3 事件、异常等等事件，一共26个字段。 4. 虚拟机 VMEntry 控制域 VMEntry Control Fields 包含两部分：VM-Entry Controls for MSRs 和 Event Injection(interruption-information field,exception error code,instruction length 都是 32 bit) 规定了发生 #VMEntry 后的一系列操作，VMware 软件实现硬件虚拟化会用到。 5.虚拟机 VMExit 控制域 VM-Exit Control Fields 包含两部分：VM-Exit Controls For MSRs 和 VM-Exit Controls。前者指定哪些 MSRs 被存储和装载，后者指定 VM-Exit 后的操作。 6.虚拟机VM-Exit 信息域 VM-Exit Information Fields 只读区域。描述最近 VM-Exit 退出的详细原因。在某些情况下，还会有虚拟机的 Linear Address、Physical Address、Interruption Information、Interruption Error Code、IDT 向量化信息和错误码 |
EPT 机制
这篇文章给了我莫大的启发：5. EPT机制_李海伟-CSDN博客
上面的一部分是虚拟地址到物理地址的转化，下面一部分是 GPA 到 HPA 的转化。EPT 机制即是实现 GPA -> HPA 。GPA 和 HPA 都存储在内存上，只是寻址的方式不同罢了。
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EPT：Extended Page Table，扩展页表 EPTP：Extended-Page-Table Pointer，扩展页表指针 EPT PML4T：EPT Page Map Level 4 Table , EPT PML4E 是其表项 L4 PDPT：Page-Directory-Pointer Table , PDPTE 是其表项 L3 PDT：Page-Directory Table , PDE 是其表项 L2 PT：Page Table , PTE 是其表项 L1 GPA：Guest-Physical Address，虚拟机物理地址 HPA：Host-Physical Address，真实机物理地址 EPT MMU：一块专门的用作硬件虚拟化的硬件
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EPT 机制与 Intel CPU 上的分页机制几乎一模一样，互通的。
| 首先从大体上明白一点：首先通过 EPTP 可以找到 EPT PML4 ：
1. 当页面选择是 4KB 时，通过5次转换找到一个 4Kb 大小的页面， EPT PML4 ——> EPT PML4E ——> PDPTE ——> PDE ——> PTE ——> Page(4KB) 2. 当页面选择是 2MB 时，通过4次转换找到一个 2MB 大小的页面，EPT PML4 ——> EPT PML4E ——> PDPTE ——> PDE ——> Page(2MB) 3. 当页面选择是 1G 时，通过3次转换找到一个 1G 大小的页面，EPT PML4 ——> EPT PML4E ——> PDPTE ——> Page(1G) 最后通过一个偏移值找到最终的 HPA 其次，在 IA32 文档中规定， 物理地址的位数最大只有 48 bits ，最多只有4级查找。 |
首先要了解各个结构的定义，只需要关心目前所需要的位即可。
N 是由处理器支持的物理地址宽度决定的，可以通过 CPUID 查询到支持的长度。
若后面不再找表，而是直接映射地址(1G)，则 Bit 7 置 1；置 0 则继续索引，后面的表同理。
下面再来看详细的步骤（假设已经得到一个 GPA 地址 X ）：
EPTP 存储在 VMCS 中，可以查找到。通过 EPTP 的 51:12 位，可以查找到 PML4 的 HPA，再通过 X 中的 47:39 位定位到具体的条目（PLM4E）。因此得到的最终的 HPA 地址如下：
— Bits 63：52 都是 0
— Bits 51：12 来自于 EPTP 的 12：51 位
— Bits 3：11 来自于 X 的 47：39 位，29 因此有 512 个条目
— Bits 2：0 都是 0
以上组成的地址(64位)即可索引到真实机物理地址上存储的 PLM4E。
PML4E 中的 51:12 不能映射地址，只能表示 PDPT 的实际物理地址。和第一步的方法相同，PDPT 的物理地址由以下组成：
— Bits 63：52 都是 0
— Bits 51：12 来自于 PML4E 的 51：12 位
— Bits 3：11 来自于 X 的 38：30 位，同样有 512 个条目
— Bits 2：0 都是 0
以上组成的地址(64位)，即可索引到真实机物理地址上存储的 EPT PDPTE。
PDPTE 中的 51：12 既可以映射 1G 的页（该目录 7th bit 为 1），也可以继续向下索引，若直接映射地址则该页所在的物理地址由以下几部分组成：
— Bits 63：52 are all 0
— Bits 51：30 are from the EPT PDPTE
— Bits 29：0 are from the X (GPA 的 29：0 )，其中 12：29 全 0， 11：0 是标志位
可找到 1GB 大小的页地址。若 CPU 支持的物理地址宽度（小于等于 51）为32位则为 30：31 两个 bit 有效，索引共 4G 的页，此时 32：51 为 0。
若继续向下索引则 PDE 的物理地址由以下几部分组成：
— Bits 63：52 都是 0
— Bits 51：12 来自于 PDPTE 的 51：12 位
— Bits 11：3 来自于 X 的 29：21 位，同样有 512 个目录
— Bits 2：0 都是 0
若 EPT PDE 映射 2MB 的页（该目录 7th bit 为 1），则该页所在的物理地址(64 bits)由以下几部分组成：
— Bits 63：52 是属性标志位或 ignored
— Bits 51：21 来自 PDE
— Bits 20：0 are from the X (GPA 的 20：0 )，其中 20：12 都为 0，Bits 11：0 是标志位
管理的最小单位大小为 221 = 2 MB 。若 CPU 支持的物理地址宽度为 32 位则 31：21 为有效值，51：32 全 0 。
若继续向下索引则 PTE 的物理地址由以下几部分组成：
— Bits 63：52 are all 0.
— Bits 51：12 are from the EPT PDE.
— Bits 11：0 are from 20：12 of the X
以上所组成的64位地址，可以找到 PTE 在真实机上存储的物理地址。
PTE 只能映射一个 4KB 的页，该页的物理地址由以下几部分组成：
— Bits 63:52 are all 0.
— Bits 51:12 are from the EPT PTE.
— Bits 11:0 are from 11：0 of the X.
以上所组成的64位地址即可访问到 4KB 的页在实际物理地址中的位置。
下图是从 PML4 一直映射到 PTE 的结构图：
