CPU硬件虛擬化

傳統(tǒng)處理器

傳統(tǒng)的處理器通過(guò)選擇不同的運(yùn)行(Ring 特權(quán))模式，來(lái)選擇指令集的范圍，內(nèi)存的尋址方式，中斷發(fā)生方式等操作。

硬件虛擬化處理器

在原有的Ring特權(quán)等級(jí)的基礎(chǔ)上，處理器的硬件虛擬化技術(shù)帶來(lái)了一個(gè)新的運(yùn)行模 式：Guest模式[1]，來(lái)實(shí)現(xiàn)指令集的虛擬化。當(dāng)切換到Guest模式時(shí)，處理器提供了先前完整的特權(quán)等級(jí)，讓Guest操作系統(tǒng)可以不加修改的運(yùn)行在物理的處理器上。Guest與Host模式的處理器上下文完全由硬件進(jìn)行保存與切換。此時(shí)，虛擬機(jī)監(jiān)視器（Virtual Machine Monitor)通過(guò)一個(gè)位于內(nèi)存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(Intel稱為VMCS, AMD稱為VMCB)來(lái)控制Guest系統(tǒng)同Host系統(tǒng)的交互，以完成整個(gè)平臺(tái)的虛擬化。

IO虛擬化

傳統(tǒng)的IO操作

傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)通過(guò)硬件MMU完成虛擬地址到物理地址的映射。

虛擬化傳統(tǒng)IO實(shí)現(xiàn)

在虛擬化環(huán)境中，Guest的虛擬地址需要更多一層的轉(zhuǎn)換，才能放到地址總線上：

Guest虛擬地址 -> Guest物理地址 -> Host物理地址
             ^               ^
             |               |
            MMU1            MMU2

其中MMU1可以由軟件模擬(Shadow paging中的vTLB)或者硬件實(shí)現(xiàn)(Intel EPT、AMD NPT)。MMU2由硬件提供。

IO虛擬化技術(shù)

系統(tǒng)的IO虛擬化技術(shù)，通常是VMM捕捉Guest的IO請(qǐng)求，通過(guò)軟件模擬的傳統(tǒng)設(shè)備將其請(qǐng)求傳遞給物理設(shè)備。一些新的支持虛擬化技術(shù)的設(shè)備，通過(guò)硬件技術(shù)(如Intel VT-d)，可以將其直接分配給Guest操作系統(tǒng)，避免軟件開銷。

[1]X86處理器的生產(chǎn)廠商有自己的稱謂，比如英特爾將Guest模式稱為non-root operation，與之相對(duì)的是root operation，本文稱為host模式。