AMD-V学习笔记（一）

参考资料：intel SDM vol3
AMD64 Architecture Programmer’s Manual Volume 2(System Programming)
https://github.com/tandasat/SimpleSvm.git

源码：
实验代码：https://github.com/wutiaojian000/AFVM
调试环境：是内核项目的源码 https://github.com/wutiaojian000/AFKernel.git
本文地址：https://www.cnblogs.com/angel-fish/p/18903300

先看看AMD-V，再看KVM的原理。
因为我的电脑是amd的，所以这里看amd的文档了。

1. 概述

VMM的生命周期：

VMXON指令开启VMM->
VM entry指令可以进入一个客户机系统，VM exit退出到VMM->
VMEXIT退出VMM。
VMCS结构用于管理虚拟机，VMCS指针会指向这个结构。有专门的指令读取和保存VMCS指针，VMPTRST、VMPTRLD。也有专门的配置指令VMREAD、VMWRITE和VMCLEAR。每一个虚拟机都会有一个VMCS结构，准确来说是一个虚机的一个逻辑核对应一个VMCS结构。

1.1 查看处理器的VMX支持

进入VMX操作之前，需要通过CPUID确定CPU对VMX的支持。

#include <stdio.h>
void main()
{
    unsigned int a = 0;
    __asm("movl $0x80000001, %%eax;cpuid;movl %%ecx, %0":"=r"(a)::"eax", "ebx", "ecx", "edx");
    printf("%x\n", a);
}

然后检查ecx的bit5是否为1，为1就是支持VMX。

看文档里说cpuid Fn4000_0000h-4000_00ffh是保留给软件用途的，可以通过将信息在hypervisor和guest中传递。
还有CPUID Fn0000_0001_ECX[31]如果是1，代表系统跑在虚拟机里。

#include <stdio.h>
void main()
{
    unsigned int a = 0;
    __asm("movl $0x00000001, %%eax;cpuid;movl %%ecx, %0":"=r"(a)::"eax", "ebx", "ecx", "edx");
    printf("%x\n", a);
}

1.2 使能SVM

当EFER.SVME位（AMD的一个控制寄存器位，控制SVM的开启）为1时，VMRUN、VMLOAD、VMSAVE、CLGI、VMMCALL、INVLPGA这些指令可以用，否则UD（未定义指令）；EFER.SVME位为1或CPUID Fn8000_0001_ECX[SKINIT]为1时，SKINIT和STGI指令可以用，否则UD（未定义指令）。
使能svm之前，按以下步骤进行检查，

if(CPUID Fn8000_0001_ECX[SVM] == 0)
    return SVM_NOT_AVAIL;
if(VM_CR.SVMDIS == 0)  //虚拟机控制寄存器VM_CR的SVM DISABLED位，表示SVM是否被禁用
    return SVM_ALLOWED;
if(CPUID Fn8000_000A_EDX[SVML] == 0)
    return SVM_DISABLED_AT_BIOS_NOT_UNLOCKABLE;
else return SVM_DISABLED_WITH_KEY;

VM_CR看到15.30 SVM related MSRs,（MSR代表型号特定寄存器，用于某些特定功能，比如这里是专用于VM的)

SVMDIS在bit4，为1时，对EFER.SVME的写入为MBZ（must be zero），意思是无法使能；为0时EFER.SVME正常写入。MSR寄存器需要通过RDMSR和WRMSR指令读写（3.2），且只能跑在内核态，所以这里只能系统调用。
CPUID Fn8000_000A_EDX[SVML]在15.31 SVM-Lock，为1时代表支持SVM-Lock，此时即使EFER.SVME=0也可以执行SKINIT和STGI。
下面先打一下实验环境。
在bochs中搭建了一个跑例程的环境:https://github.com/wutiaojian000/AFKernel.git，本来想在KVM上跑的，但暂时还不会调试，先搭bochs的环境跑先。
升级了一下bochs到3.0，configure查看bochs的官方文档（https://bochs.sourceforge.io/doc/docbook/user/compiling.html#AEN934），启动的时候需要加上-debugger。
bin/bochs -help cpu查看支持的CPU，需要确定好支持SVM的版本，

./configure
--prefix=/home/zcm/bochs3.0
--enable-debugger
--enable-disasm
--enable-iodebug
--enable-x86-debugger
--with-x
--with-x11
--enable-cpu-level=6
--enable-x86-64
--enable-svm
试了半天，总算试出来了，phenom_8650_toliman平台下可以做实验。在bochs虚拟机配置文件中添加一行

cpu: model=phenom_8650_toliman, count=1, ips=1000000

可以看到这里ecx的bit2是1，支持SVM。检测SVM是否能开启的代码在src/arch/AMD-V/sys.h下check_SVM_support函数。
接下来继续。

1.3 VMRUN

AMD使用VMCB结构体是一个4KB对齐的页，记录guest系统中需要拦截的指令或事件、定义guest系统执行环境的控制位或指定guest运行前的特殊操作、处理器状态等。VMRUN使用VMCB做为它的参数。
VMRUN指令需要跑在CPL0上，CPU在保护态且EFER.SVME需要为1，否则会报未定义指令异常。主机状态通过VM_HSAVE_PA的msr寄存器保存，运行guest系统时从对应的VMCB中获取信息，检查guest状态。一切就绪后就开始跑guest系统，直到有需要拦截的事件发生，调用VMEXIT指令返回到host系统。返回时只会记录下用于恢复虚拟机状态的信息，如果需要保存其他信息，使用VMLOAD、VMSAVE指令。
（1）保存主机状态
为了确保能正确回复主机状态，需要保存以下信息：（以32位为例）
CS.SELECTOR,EIP;
EFLAGS,EAX(EAX中存VMCB地址);
SS.SELECTOR,ESP;
CR0,CR3,CR4,EFER;
IDTR,GDTR;
ES.SELECTOR,DS.SELECTOR.
（2）加载客户机状态
保存主机状态之后，从VMCB中加载客户机状态。
CS,EIP;
EFLAGS,EAX(EAX中存VMCB地址);
SS.SELECTOR,ESP;
CR0,CR2,CR3,CR4,EFER;
IDTR,GDTR;
ES,DS;
INTERRUPT_SHADOW（用于虚拟机执行期间暂时屏蔽中断）;
IDTR,GDTR;
DR6,DR7（断点相关）;
V_TPR（虚拟机任务优先级寄存器）;
V_IRQ（中断相关）;
CPL（guest在实模式时CPL是0，在x86模式下CPL为3，其他情况看VMCB中保存的CPL，x86模式是保护模式的一种扩展模式）.
加载guest状态时会检查一致性，检查不通过会调用VMEXIT。看看479页，
VMRUN检查guest状态，VMEXIT检查host状态。错误的guest状态导致VMEXIT退出，异常码VMEXIT_INVAILD。以下情况视作错误状态：

• EFER.SVME为0
• cr0.cd是0且cd0.nw为1（cr0.cd是0表示开启缓存策略，cd0.nw表示开启写回策略，为什么会有问题呢？）
• cr0不是0
• cr3、cr4和EFER的MBZ（must be zero）位为1
• EFER.LMA（long mode Activation）或EFER.LME（long mode enable）是非0且处理器不支持长模式（64位下的保护模式）
• EFER.LME且cr0.PG被置位且cr4.PAE（Physical Address Extension）为0
• EFER.LME且cr0.PG被置位且cr0.pe（保护模式）为0
• EFER.LME、cr0.PG、cr4.PAE、CS.L（long mode）和CS.D（D/B位）都不是非0值
• VMRUN的中断位被清0？
• MSR或I/O拦截表扩展到一个大于或等于最大支持的物理地址
• 非法的事件注入
• ASID（用于区分不同的地址空间）为0
• S_CET的保留位被设置
• cr0.WP为0且cr4.cet为1
• eflags.VM为1且cr4.cet为1，u_cet.SS为1
• u_cet的保留位被设置

未完待续，后面会根据项目中实际用到的来补充这篇文章的内容。