VT 入门番外篇——初识 VT

写在前面

  此系列是本人一个字一个字码出来的，包括示例和实验截图。由于系统内核的复杂性，故可能有错误或者不全面的地方，如有错误，欢迎批评指正，本教程将会长期更新。 如有好的建议，欢迎反馈。码字不易，如果本篇文章有帮助你的，如有闲钱，可以打赏支持我的创作。如想转载，请把我的转载信息附在文章后面，并声明我的个人信息和本人博客地址即可，但必须事先通知我。

你如果是从中间插过来看的，请仔细阅读 羽夏看Win系统内核——简述 ，方便学习本教程。

  看此教程之前，问几个问题，基础知识储备好了吗？保护模式篇学会了吗？练习做完了吗？没有的话就不要继续了。

 

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初识

  如下的内容节选自New Blue Pill并略微修改以更好的入门VT。如果自己了解这些基本概念，就没必要看初识了。
  在讨论VT之前我们首先谈谈虚拟概念。虚拟virtualization是指对计算机资源的抽象，一种常用的定义是：“虚拟就是这样的一种技术，它隐藏了系统、应用和终端用户赖以交互的计算机资源的物理性的一面，最常用的方法就是把单一的物理资源转化为多个逻辑资源，当然也可以把多个物理资源转化为一个逻辑资源(这在存储设备和服务器上很常见)。”
  在2005年和2006年，Intel和AMD都开发出了支持硬件虚拟技术的CPU，也就是在此时，x86平台才真正有可能实现完全虚拟化。2007年年初，Intel还进一步地发布了VT-d技术规范，从而在硬件上支持IO操作的虚拟化。随着硬件虚拟化技术越来越广泛的采用，开发者也开始用虚拟技术来做一些其他的事情。
  有了虚拟技术的基本概念，下面我们谈谈硬件虚拟化技术HEV。硬件虚拟化技术Hardware Enabled Virtualization，HEV也就是在硬件层面上，更确切地说是在CPU里对虚拟技术提供直接支持，并通过这种设计提高虚拟效率、降低开发难度。在硬件虚拟化技术诞生前，在编写虚拟机的过程中，为了实现多个虚拟机上的真实物理地址隔离，需要编程实现把客户机的物理地址翻译为真实机器的物理地址。同时也需要给不同的客户机操作系统编写不同的虚拟设备驱动程序，使之能够共享同一真实硬件资源。硬件虚拟化技术则在硬件上实现了内存地址甚至于IO设备的映射，因此大大简化了编写虚拟机的过程。而其硬件直接支持二次寻址和I/O映射的特性也提升了虚拟机在运行时的性能。
  在硬件虚拟化技术中，一个重要的概念就是VMM，英文全称为Virtual Machine Monitor，有的书称之为Hypervisor，它专指在使用硬件虚拟化技术时创建出的特权层，该层提供给虚拟机开发者，用来实现虚拟硬件与真实硬件的通信和一些事件处理操作，因此它的权限级别要大于或等于操作系统权限。如下为硬件虚拟化技术架构示意图：

  如下是VMM的使用架构示意图：

  由于我们介绍的是Intel的VT技术，所以我们关注的是Intel-VTx。在VT技术中，设计架构上同样存在两种角色—虚拟机管理器Virtual Machine Monitors，VMM和客户机Guest，两者分处在VMX root和VMX non-root两种模式下。VT技术的设计目标如下。
  对于VMM层，进入此层则代表进入了VMX root模式：

1. 为每个虚拟机提供虚拟处理器，并且可以在恰当的时候把它放在真正的物理处理器上，从而使得这个虚拟处理器可以处理指令。
2. VMM层可以控制处理器资源、物理内存、管理中断和IO操作。

  对于Guest Machine，进入此层则代表进入了VMX non-root模式：

1. 每个虚拟机使用相同的接口来使用虚拟处理器、内存、存储设备等资源。
2. 每个虚拟机可以独立地不受干扰地运行，虚拟机间都是相互独立的。
3. 对于虚拟机来说，VMM层像是完全透明的。

  如下是VMM的生命周期示意图：

  之前我们学过内核、驱动以及程序编写，我们可以做一个对比：

  有了这些基本概念之后，我们就可以比较方便的继续后续的入门。

准备

  在简述当中，我们强调了要求有驱动开发的基础，如果不会的话，请把 羽夏看Win系统内核——驱动篇 学习完毕再回来进行，当然保护模式的知识是基础也不要落下。
  要实现VT最小框架，就需要一些汇编指令，比如vmxon等指令。这一切的一切编译器并没有提供，但是，微软帮我们实现了这些功能，使得我们不必需要自己写汇编来实现，提高代码的可移植性，否则我们写32位的VT移植到64位有一些是不一样的，需要自己重新修改构建。只需要在驱动项目中引用intrin.h这个头文件即可使用，x86 内部函数列表 中包含了所有的微软帮我们实现的函数。
  由于我们是最小的VT架构实现，请把虚拟机按照我们初学保护模式的配置：单核、32位的WinXP，于此同时要开启嵌套VT-x/AMD/V，否则就算你的VT架构代码写的是对的，也报错：

推荐项目

  在GitHub上有比较成熟的项目 HyperPlatform ，学习好入门之后，可以根据自己的需要进行拓展。

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