CPU硬件虚拟化

传统处理器

传统的处理器通过选择不同的运行(Ring 特权)模式，来选择指令集的范围，内存的寻址方式，中断发生方式等操作。

硬件虚拟化处理器

在原有的Ring特权等级的基础上，处理器的硬件虚拟化技术带来了一个新的运行模 式：Guest模式[1]，来实现指令集的虚拟化。当切换到Guest模式时，处理器提供了先前完整的特权等级，让Guest操作系统可以不加修改的运行在物理的处理器上。Guest与Host模式的处理器上下文完全由硬件进行保存与切换。此时，虚拟机监视器（Virtual Machine Monitor)通过一个位于内存的数据结构(Intel称为VMCS, AMD称为VMCB)来控制Guest系统同Host系统的交互，以完成整个平台的虚拟化。

IO虚拟化

传统的IO操作

传统的操作系统通过硬件MMU完成虚拟地址到物理地址的映射。

虚拟化传统IO实现

在虚拟化环境中，Guest的虚拟地址需要更多一层的转换，才能放到地址总线上：

Guest虚拟地址 -> Guest物理地址 -> Host物理地址
             ^               ^             |               |
            MMU1            MMU2

其中MMU1可以由软件模拟(Shadow paging中的vTLB)或者硬件实现(Intel EPT、AMD NPT)。MMU2由硬件提供。

IO虚拟化技术

系统的IO虚拟化技术，通常是VMM捕捉Guest的IO请求，通过软件模拟的传统设备将其请求传递给物理设备。一些新的支持虚拟化技术的设备，通过硬件技术(如Intel VT-d)，可以将其直接分配给Guest操作系统，避免软件开销。

[1]X86处理器的生产厂商有自己的称谓，比如英特尔将Guest模式称为non-root operation，与之相对的是root operation，本文称为host模式。

作者：SophieSg
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