intel vmm笔记一

1处理器对虚拟化的支持操作成为VMX operation.这里有两种VMX operation,一种是root的，另外一种是非root的。从root到非root成为vm entry(进入虚拟机) 反之为 vm exit

2通过VMXON激活虚拟化，开启VMX操作。通过VMXOFF关闭虚拟化，关闭VMX操作。在VMX操作中通过VMLAUNCH 和VMRESUME 实现vm entry, VMM也可以捕获不同的vm exit.

3 VMX的非root operation 和VMX两种operation之间的转换，通过 VMCS配置，这个结构的地址，由VMPTRST 和VMPTRLD来读写。VMCS内部内容由VMREAD 和VMWRITE VMCLEAR来读写。每个guest的每个逻辑（虚拟）处理器都应该有1个VMCS，vmcs要求4kb对齐的回写内存， intel cpu在未开启ept的时候取决于cr0.cd cr0.pg 和IA32_PAT MSR。（windows 内核api 有多种内存可供分配）

4在进入VMX之前，先要检测支不支持CPUID.1.ECX.VMX[bit5]=1表示支持。VMX的一些feature是不是支持由一系列MSR寄存器描述

5进入VMX之前的配置：

①set CR4.VMXE[bit13]=1, 一旦该位设置成1，除了关机，没法清0.

②IA32_FEATURE_CONTROL（3ah） bit0必须置set 1 bit 1 和bit 2都set 1.(跟smx也有关，不过设置1就ok了)

③每个逻辑处理器在进入VMX之前，都有一个配置VMX的结构，VMXON region, 这个结构的地址通过 VMXON指令配置，该结构必须4k对齐

④执行VMXON之前，处理器必须要固定cr0和cr4的某些位置，而且进入后再更改会报错，这些固定位到底是哪些由某些msr决定（这些位置由cpu在执行VMXON后自动固定，之后不让修改，也不需要提前修改）

6在虚拟化环境中，可能会有多个虚拟机同时运行，并且每个虚拟机可能有多个虚拟处理器。这就意味着（物理）处理器可能需要在多个VMCS之间进行切换。”active” 状态允许处理器在多个VMCS之间进行快速切换，因为这些VMCS都已被加载并准备好使用。然而，处理器在任何时候只能处理一个VMCS，这就是 “current” 状态的作用。这样设计可以帮助处理器有效地管理和切换多个VMCS，从而提高虚拟化的效率和性能。而是launched表示该VMCS是否已经被启动。current是针对当前物理处理器来说是current的，而launched是标记这个VMCS是否被启动过的。

7关于VMM内存管理。为了确保VMM对硬件的全权管理，必须对guest的地址翻译做出修改，让guest不直接访问物理地址。有两个办法spt和ept：

shadows page tables; 维护一套影子page table (PML4到PT四级)，每次guest地址映射的时候，拦截一下，使用影子pt，每次往guest pt写入的时候，影子pt也同时写入，不过guest不知道影子pt的存在，也不知道影子pt条目的内容。也就是实际映射是看影子pt

extended page tables;在guest的映射上再套一层映射，因此再建立了一套分页机制，用于把guest转换后的物理地址转成VMM物理地址（真实物理地址）。因此转换步骤很长。

spt和ept相比：

spt 每次guest修改pt，都需要断下，触发VM exit，切换到VMM root，来修改spt，开销很大

ept主要问题是访问内存延迟大了一点，但是全程都是硬件直接实现。

目前主流方案是ept。

ept机制下下，guest的所有vpa物理地址都需要转换成mpa（注意这里vmm自身不需要ept，自身只用传统pat就）。

上图是ept机制下的guest虚拟地址到真实物理地址的流程。之所以这么长，原因是guest中的每步物理地址，还得经过ept转换，又是一个四级结构。如果把中间ept省略，就还原出来了cr3->PML4->PDPT->PD->PT->PA 。

还有一个机制跟tlb有关，在未开启虚拟化时，tlb缓存va到pa的转换，cr3切换会刷新tlb。开启虚拟化时，为了支持切换虚拟机不刷新或者多个虚拟机同时运行，tlb支持多个虚拟机相同的va同时缓存，转换到不同pa，实现方式是，由va->pa的转换，改为va+guestid->pa，这样就不会混了。这个机制称为VPIDs

8EPT机制是否开启，在VMCSdata区域的vm ecxcution control fields

9关于虚拟化技术，我们高屋建瓴的看，vmm和vm基于硬件的关系，是不是跟os和app的关系一样？前者直接管理硬件资源，为后者虚拟出来了硬件。当然区别是，app需要的硬件只是cpu 内存 io并且他明确知道自己在虚拟环境下，主动配合os帮助来获取硬件资源，因此os需要虚拟的东西反而没那么多。但是vm不需要知道自己在虚拟环境下，因此vmm需要给vm全部的硬件虚拟，从cpu（各种寄存器，包括cpuid msr）内存，io。这就表现在，对于有状态的硬件资源，我们需要为每个vm保存状态，无状态的，但是我们想hook的，都要在vmcs设置vm exit。

10 MSR bitmaps和IO bitmaps正是后者的体现，表明那些msr和io的操作会导致vm exit.

11开启ept后，内存的缓存分为两块：

1：针对ept分页结构有关的内存的缓存机制，受cr0.cd的影响和 eptp的 paging struct cache type的影响

2：其他内存的缓存机制：受到cr0.cd 和ept最后一级页表的属性设置影响

注意：guest仍然可以设置传统页表的读写权限和缓存。但如果同一个页面即设置了传统PAT，有设置了EPT页面，那cpu缓存以EPT设置为主。

INVVPID 和 INVEPT 的目标都是无效化某些特定的内存地址映射。在处理器中，有一个叫做 TLB（Translation Lookaside Buffer）的硬件缓存，它用来存储最近使用的虚拟地址到物理地址的映射，以加速内存访问。当操作系统或虚拟机管理器（VMM）更改了内存的分页结构（即改变了虚拟地址到物理地址的映射）后，TLB 中可能会存留一些过时的映射，这时就需要使用 INVVPID 或 INVEPT 指令来告诉处理器，让它丢弃这些过时的映射。

接下来，我们来看看这两个指令的具体用法：

INVVPID（Invalidate Translations Based on VPID）：这个指令可以视为一个"清洁工"，它可以清理掉与特定虚拟处理器（VPID）相关的过时映射。你可以告诉这个"清洁工"清理掉与某个 VPID 相关的所有映射，或者仅清理掉与某个 VPID 和特定线性地址相关的映射。这就像是你告诉清洁工清理整个房子，或者只清理房子中的某个房间。

INVEPT（Invalidate Translations Based on EPT）：这个指令也是一个"清洁工"，但是它清理的是与特定扩展页表（EPT）相关的过时映射。你可以告诉这个"清洁工"清理掉与某个 EPT 相关的所有映射，或者清理掉所有 EPT 的所有映射。这就像是你告诉清洁工清理掉整个办公楼，或者清理掉整个办公园区。

以下是有关例子：

INVVPID（Invalidate Virtual-Processor Identifier）：假设你有一个虚拟机监视器（VMM），它为每个虚拟机（VM）分配了一个唯一的 VPID。现在，你修改了一个 VM 的页表。为了确保此 VM 的所有映射都是最新的，你需要无效化与该 VM 的 VPID 相关的所有映射。你可以使用 INVVPID 指令来完成这个操作：

Individual-address：假设你知道修改了哪个线性地址的页表条目，你可以使用 INVVPID 指令的 Individual-address 类型，只无效化与该线性地址相关的映射。例如，如果你修改了线性地址 0x1000 的页表条目，并且该地址的 VPID 是 1，你可以执行 INVVPID 0, (1, 0x1000)。

Single-context：如果你不知道修改了哪些线性地址的页表条目，或者修改了很多页表条目，你可以使用 INVVPID 指令的 Single-context 类型，无效化与该 VM 的所有映射。例如，如果 VM 的 VPID 是 1，你可以执行 INVVPID 1, (1)。

All-context：如果你想无效化所有 VM 的所有映射，你可以使用 INVVPID 指令的 All-context 类型。例如，你可以执行 INVVPID 2, ()。

Single-context-retaining-globals：如果你想无效化与某个 VPID 相关的所有映射，但保留全局映射，你可以使用 INVVPID 指令的 Single-context-retaining-globals 类型。例如，如果 VM 的 VPID 是 1，你可以执行 INVVPID 3, (1)。

INVEPT（Invalidate Translations Derived from EPT）：假设你有一个 VMM，它为每个 VM 分配了一个唯一的 EPTP。现在，你修改了一个 VM 的扩展页表（EPT）。为了确保此 VM 的所有映射都是最新的，你需要无效化与该 VM 的 EPTP 相关的所有映射。你可以使用 INVEPT 指令来完成这个操作：

Single-context：如果你只修改了与一个特定 EPTP 相关的 EPT，你可以使用 INVEPT 指令的 Single-context 类型。例如，如果 VM 的 EPTP 是 0x1000，你可以执行 INVEPT 1, (0x1000)。

All-context：如果你修改了与多个 EPTP 相关的 EPT，或者你不知道修改了哪些 EPT，你可以使用 INVEPT 指令的 All-context 类型。例如，你可以执行 INVEPT 2, ()。

在这些示例中，括号内的参数是 INVVPID 或 INVEPT 指令的描述符，描述符中的值是 VPID、线性地址或 EPTP 的值。这些值取决于你的具体应用场景和内存管理策略。

13 vmcs是内存里的区域，处理器只保存vmcs指针。

14关于vmm作为驱动程序加载，此时vmm继承了windows的各种上下文（比如各种寄存器，分页cr3）