VMX(1) -- 简介

VMX（Virtual Machine Extension）是Intel 64和IA-32架构处理器级别的功能，用于支持虚拟化。VMX支持两种类型的软件：

Virtual-machine monitor（VMM），VMM对处理器和平台硬件具有完全的控制权限。VMM为客户软件提供虚拟处理器的抽象，从而让客户软件能够直接在逻辑CPU上跑。
客户软件（Guest software）。每个虚拟机（VM）就是一个客户软件运行环境。

系统软件可以通过CPUID指令来判断处理器是否支持VMX，如果CPUID.1.ECX.VMX[bit5] = 1，那么当前处理器支持VMX，否则，当前处理器不支持VMX功能。

VMX包括两种VMX操作操作模式：

VMX根操作（VMX root operation）模式，通常VMM将会在这种模式下运行；
VMX非根操作（VMX non-root operation），通常客户软件（虚拟机）将在这种环境下运行。

两种类型的操作之间的转换称作VMX转换，从根操作模式转换到非根操作模式称作VMX进入（VMX Entry），相反从非根操作模式转换到根操作模式称作VMX退出（VMX Exit）。

当处理器运行于VMX根操作模式的时候，它类似于运行在没有打开VMX功能的环境下，跟不打开VMX功能的主要区别是，在VMX根操作模式中，可以执行VMX相关指令，并且有某些制寄存器的写被限制了

当处理器运行于VMX非根操作模式的时候，处理器的某些行为被限制住或者被更改以便实现虚拟化，即某些指令或者事件会引起VM exits，从而让处理器从VMX非操作模式退出到根操作模式的VMM里，最终让VMM去模拟这些指令的行为从而实现虚拟化。

另外，VMX的两种操作模式和处理器的运行级别是正交的，即在VMX根操作模式或者VMX非根操作模式中，都有相应的从ring0 ～ ring3的运行级别，而且两种模式下的各种运行级别是相互独立的。

VMX功能尽量让软件不能从某个控制寄存器中得知当前自己正运行在VMX非特权模式下，这样就可以防止软件知道自己是否运行在一个虚拟机中。但是VMM其实是可以通过对某些指令的模拟，绕过这个机制的，比如在KVM中，KVM模块对CPUID指令的模拟，让虚拟机中执行CPUID指令的时候返回KVM相关的信息。

从最高层次来看处理器使用VMX的步骤如下：

通过CPUID指令判断VMX功能是否被当前处理器支持；
如果当前处理器支持VMX功能，那么通过设置CR4.VMXE[bit13] = 1来打开VMX功能；
通过VMXON指令开启VMX功能，并且激活VMM；
在VMX中可以通过VM Entry和VM Exit来进入客户虚拟机或者返回到VMM中，即切换到VMX非根操作模式或者切换到VMX根操作模式，也可以利用此操作来切换运行的客户虚拟机；
通过VMXOFF来关闭VMX功能，从而终止VMX的操作。

VMX非根操作模式和VMX转换都由位于内存的VMCS（Virtual Machine Control Structure）数据结构控制，每个逻辑CPU都有一个包含指向VMCS指针的寄存器。VMCS指针通过VMPTRST和VMPTRLD指令来读和写，并且VMM可以通过VMREAD、VMWRITE和VMCLEAR指令来配置VMCS。

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