处理器虚拟化技术 带目录完整pdf+源码[128MB]

《处理器虚拟化技术》针对在Intel处理器端的虚拟化技术（Intel Virtualization Technology for x86，即Intel VT-x）进行全面讲解。在Intel VT-x技术下实现了VMX（Virtual-Machine Extensions，虚拟机扩展）架构平台来支持对处理器的虚拟化管理。因此，VMX架构是Intel VT-x技术的核心。《处理器虚拟化技术》内容围绕VMX架构实现细节展开全面讲解。但Intel VT-d（Virtualization Technology for Directed I/O）和Intel VT-c（Virtualization Technology for Connectivity）技术并不在本书的描述范围。同时，也不针对AMD-v技术进行讨论。

《处理器虚拟化技术》共分为7章，书的整体结构也较为规整，可读性比较强。《处理器虚拟化技术》共提供14个例子，对VMX架构的一些特色功能进行辅助讲解。

读者阅读《处理器虚拟化技术》，可以学习Intel VT-x技术的VMX架构知识，并且对整个x86/x64体系有更深入的了解！可以说，不了解VMX架构，根本算不上对x86/x64体系熟悉，因为，在处理器的虚拟化技术里需要使用全方位的体系知识，对处理器在非常细节的地方进行虚拟化处理。

因此，《处理器虚拟化技术》适合有一定x86/x64体系知识基础或者想更深入学习x86/x64体系知识的读者

目录
 

第1 章 系统平台 . 1
1.1 环境及工具 1
1.1.1 使用VMware 2
1.1.2 使用Bochs 4
1.1.3 在真实机器上运行 4
1.1.4 Build 工具. 4
1.2 64 位与32 位代码的混合编译 . 7
1.2.1 使用符号__X64 . 7
1.2.2 指令操作数 . 8
1.2.3 64-bit 模式下其他指令处理 11
1.2.4 函数重定义表 . 15
1.3 地址空间 17
1.4 数据结构 23
1.4.1 PCB 结构 23
1.4.2 LSB 结构 . 37
1.4.3 初始化PCB 38
1.4.4 SDA 结构 . 42
1.4.5 初始化SDA 56
1.4.6 DRS 结构 . 57
1.5 系统启动 59
1.5.1 Boot 阶段 . 59
1.5.2 stage1 阶段 . 62
1.5.2.1 stage1 阶段的多处理器初始化 . 66
1.5.2.2 BSP 的收尾工作 . 68
1.5.2.3 APs 的stage1 阶段工作 . 70
1.5.3 stage2 阶段 . 73
1.5.3.1 BSP 在stage2 最后处理 . 80
1.5.3.2 APs 在stage2 阶段收尾工作 81
1.5.4 stage3 阶段 . 83
1.5.4.1 BSP 在stage3 阶段的最后工作 87
1.5.4.2 APs 在stage3 阶段收尾工作 88
1.5.5 例子1-1 90
1.6 系统机制 91
1.6.1 分页机制 91
1.6.1.1 PAE 分页模式实现 . 91
1.6.1.2 IA-32e 分页模式实现 98
1.6.2 多处理器机制 . 102
1.6.2.1 调度任务 . 102
1.6.2.2 处理器切换 109
1.6.3 调试记录机制 . 113
1.6.3.1 例子1-2 . 120
1.6.3.2 运行结果 . 121
第2 章 VMX 架构基础 122
2.1 虚拟化概述 123
2.1.1 虚拟设备 124
2.1.2 地址转换 125
2.1.3 设备的I/O 访问 125
2.2 VMX 架构 126
2.2.1 VMM 与VM . 127
2.2.2 VMXON 与VMCS 区域 127
2.2.3 检测VMX 支持 128
2.2.4 开启VMX 进入允许 128
2.3 VMX operation 模式 129
2.3.1 进入VMX operation 模式 . 130
2.3.2 进入VMX operation 的制约 . 131
2.3.2.1 IA32_FEATURE_CONTROL 寄存器 131
2.3.2.2 CR0 与CR4 固定位 133
2.3.2.3 A20M 模式 135
2.3.3 设置VMXON 区域 135
2.3.3.1 分配VMXON 区域 . 135
2.3.3.2 VMXON 区域初始设置 . 135
2.3.4 退出VMX operation 模式 . 136
2.4 VMX operation 模式切换 137
2.4.1 VM entry 138
2.4.2 VM exit 139
2.4.3 SMM 双重监控处理下 . 140
2.5 VMX 能力的检测 141
2.5.1 检测是否支持VMX 141
2.5.2 通过MSR 组检查VMX 能力 . 141
2.5.3 例子2-1 146
2.5.4 基本信息检测 . 147
2.5.5 允许为0 以及允许为1 位 149
2.5.5.1 决定VMX 支持的功能 . 150
2.5.5.2 控制字段设置算法 150
2.5.6 VM-execution 控制字段 . 151
2.5.6.1 Pin-based VM-execution control 字段 . 151
2.5.6.2 primary processor-based VM-execution control 字段 152
2.5.6.3 secondary processor-based VM-execution control 字段 . 152
2.5.7 VM-exit control 字段 152
2.5.8 VM-entry control 字段 153
2.5.9 VM-function control 字段 153
2.5.10 CR0 与CR4 的固定位 154
2.5.10.1 CR0 与CR4 寄存器设置算法 . 155
2.5.11 VMX 杂项信息 156
2.5.12 VMCS 区域字段index 值 . 157
2.5.13 VPID 与EPT 能力 . 157
2.6 VMX 指令 158
2.6.1 VMX 指令执行环境 159
2.6.2 指令执行的状态 159
2.6.3 VMfailValid 事件原因 160
2.6.4 指令异常优先级 161
2.6.5 VMCS 管理指令 161
2.6.5.1 VMPTRLD 指令 . 162
2.6.5.2 VMPTRST 指令 162
2.6.5.3 VMCLEAR 指令 . 162
2.6.5.4 VMREAD 指令 . 163
2.6.5.5 VMWRITE 指令 . 165
2.6.6 VMX 模式管理指令 166
2.6.6.1 VMXON 指令 167
2.6.6.2 VMXOFF 指令 . 167
2.6.6.3 VMLAUNCH 指令 167
2.6.6.4 VMRESUME 指令 168
2.6.6.5 返回到executive monitor . 168
2.6.7 cache 刷新指令 169
2.6.7.1 INVEPT 指令 . 170
2.6.7.2 INVVPID 指令 . 170
2.6.8 调用服务例程指令 171
2.6.8.1 VMCALL 指令 . 171
2.6.8.2 VMFUNC 指令 . 172
第3 章 VMCS 结构 173
3.1 VMCS 状态 173
3.1.1 activity 属性 174
3.1.2 current 属性 174
3.1.3 launch 属性 . 174
3.2 VMCS 区域 175
3.2.1 VMXON 区域 . 176
3.2.2 Executive-VMCS 与SMM-transfer VMCS 176
3.2.3 VMCS 区域格式 176
3.3 访问VMCS 字段 . 177
3.3.1 字段ID 格式 . 178
3.3.2 不同宽度的字段处理 . 179
3.4 字段ID 值 181
3.4.1 16 位字段ID . 181
3.4.2 64 位字段ID . 182
3.4.3 32 位字段ID . 184
3.4.4 natural-width 字段ID . 185
3.5 VM-execution 控制类字段 187
3.5.1 Pin-based VM-execution control 字段 . 188
3.5.2 processor-based VM-execution control 字段 . 190
3.5.2.1 primary processor-based VM-execution control 字段 191
3.5.2.2 secondary processor-based VM-execution control 字段 . 195
3.5.3 exception bitmap 字段 . 200
3.5.4 PFEC_MASK 与PFEC_MATCH 字段 . 200
3.5.5 I/O bitmap address 字段 202
3.5.6 TSC offset 字段 . 202
3.5.7 guest/host mask 与read shadow 字段 . 202
3.5.8 CR3-target 字段 . 203
3.5.9 APIC-access address 字段 . 203
3.5.10 virtual-APIC address 字段 . 204
3.5.11 TPR threshold 字段 . 204
3.5.12 EOI-exit bitmap 字段 204
3.5.13 posted-interrupt notification vector 字段 205
3.5.14 posted-interrupt descriptor address 字段 205
3.5.15 MSR bitmap address 字段 205
3.5.16 executive-VMCS pointer 206
3.5.17 EPTP 字段 206
3.5.18 virtual-processor identifier 字段 207
3.5.19 PLE_Gap 与PLE_Window 字段 207
3.5.20 VM-function control 字段 209
3.5.21 EPTP-list address 字段 210
3.6 VM-entry 控制类字段 . 210
3.6.1 VM-entry control 字段 211
3.6.2 VM-entry MSR-load 字段 . 214
3.6.3 事件注入控制字段 214
3.6.3.1 VM-entry interruption information 字段 215
3.6.3.2 VM-entry exception error code 字段 . 217
3.6.3.3 VM-entry instruction length 字段 . 217
3.7 VM-exit 控制类字段 218
3.7.1 VM-exit control 字段 218
3.7.2 VM-exit MSR-store 与MSR-load 字段 . 220
3.8 guest-state 区域字段 221
3.8.1 段寄存器字段 . 224
3.8.1.1 access right 字段 . 224
3.8.2 GDTR 与IDTR 字段 229
3.8.3 MSR 字段 . 229
3.8.4 SMBASE 字段 229
3.8.5 activity state 字段 . 230
3.8.6 interruptibility state 字段 . 232
3.8.7 pending debug exceptions 字段 235
3.8.7.1 #DB 异常的处理 . 237
3.8.8 VMCS link pointer 字段 243
3.8.9 VMX-preemption timer value 字段 . 243
3.8.10 PDPTEs 字段 . 243
3.8.11 guest interrupt status 字段 244
3.9 host-state 区域字段 245
3.10 VM-exit 信息类字段 247
3.10.1 基本信息类字段 248
3.10.1.1 Exit reason 字段 248
3.10.1.2 VM-exit 原因 249
3.10.1.3 Exit qualification 字段 255
3.10.1.4 由某些指令引发的VM-exit . 256
3.10.1.5 由#DB 异常引发的VM-exit . 256
3.10.1.6 由#PF 异常引发的VM-exit 257
3.10.1.7 由SIPI 引发的VM-exit . 257
3.10.1.8 由I/O SMI 引发的VM-exit 257
3.10.1.9 由任务切换引发的VM-exit . 258
3.10.1.10 访问控制寄存器引发的VM-exit . 259
3.10.1.11 由MOV-DR 指令引发的VM-exit . 260
3.10.1.12 由I/O 指令引发的VM-exit 260
3.10.1.13 由于访问APIC-access page 引发的VM-exit. 261
3.10.1.14 由EPT violation 引发的VM-exit . 262
3.10.1.15 由EOI 虚拟化引发的VM-exit 264
3.10.1.16 由APIC-write 引发的VM-exit 264
3.10.1.17 guest-linear address 字段 . 264
3.10.1.18 guest-physical address 字段 . 265
3.10.2 直接向量事件类信息字段 . 265
3.10.2.1 VM-exit interruption information 字段 265
3.10.2.2 VM-exit interruption error code 字段 267
3.10.3 间接向量事件类信息字段 . 267
3.10.3.1 IDT-vectoring information 字段 . 268
3.10.3.2 IDT-vectoring error code 字段 . 269
3.10.4 指令类信息字段 269
3.10.4.1 VM-exit instruction length 字段 . 269
3.10.4.2 VM-exit instruction information 字段 . 272
3.10.5 I/O SMI 信息类字段 . 280
3.10.6 指令错误类字段 280
3.11 VMM 初始化实例 . 280
3.11.1 VMCS 相关的数据结构 281
3.11.1.1 VMB 结构 281
3.11.1.2 VSB 结构 . 284
3.11.1.3 VMCS buffer 结构 . 287
3.11.2 初始化VMXON 区域 288
3.11.3 初始化VMCS 区域 289
3.11.3.1 分配VMCS 区域 290
3.11.3.2 VMCS 初始化模式 291
3.11.3.3 VMCS buffer 初始化 . 293
3.11.4 例子3-1 297
第4 章 VM-entry 处理 . 301
4.1 发起VM-entry 操作 302
4.2 VM-entry 执行流程 . 303
4.3 指令执行的基本检查 303
4.4 检查控制区域及host-state 区域 . 305
4.4.1 VM-execution 控制区域检查 . 305
4.4.1.1 检查pin-based VM-execution control 字段 . 306
4.4.1.2 检查primary processor-based VM-execution control 字段 . 306
4.4.1.3 检查secondary processor-based VM-execution control 字段 307
4.4.1.4 检查CR3-target 字段 308
4.4.2 VM-exit 控制区域检查 . 308
4.4.2.1 VM-exit control 字段的检查 . 308
4.4.2.2 MSR-store 与MSR-load 相关字段的检查 308
4.4.3 VM-entry 控制区域检查 . 309
4.4.3.1 VM-entry control 字段的检查 . 309
4.4.3.2 MSR-load 相关字段的检查 309
4.4.3.3 事件注入相关字段的检查 . 309
4.4.4 Host-state 区域的检查 310
4.4.4.1 Host 控制寄存器字段的检查 310
4.4.4.2 Host-RIP 的检查 . 310
4.4.4.3 段selector 字段的检查 311
4.4.4.4 段基址字段的检查 311
4.4.4.5 MSR 字段的检查 311
4.5 检查guest-state 区域 . 311
4.5.1 检查控制寄存器字段 . 312
4.5.2 检查RIP 与RFLAGS 字段 . 312
4.5.3 检查DR7 与IA32_DEBUGCTL 字段 313
4.5.4 检查段寄存器字段 313
4.5.4.1 virtual-8086 模式下的检查 . 314
4.5.4.2 unrestricted guest 位为0 时的检查 315
4.5.4.3 unrestricted guest 位为1 时的检查 318
4.5.5 检查GDTR 与IDTR 字段 320
4.5.6 检查MSR 字段 . 320
4.5.7 检查activity state 字段 . 321
4.5.8 检查interruptibility state 字段 . 321
4.5.9 检查pending debug exception 字段 322
4.5.10 检查VMCS link pointer 字段 322
4.5.11 检查PDPTE 字段 323
4.5.11.1 由加载CR3 引发的PDPTE 检查 323
4.6 检查guest state 引起的VM-entry 失败 324
4.7 加载guest 环境信息 324
4.7.1 加载控制寄存器 325
4.7.2 加载DR7 与IA32_DEBUGCTL 325
4.7.3 加载MSR . 325
4.7.4 SMBASE 字段处理 326
4.7.5 加载段寄存器与描述符表寄存器 326
4.7.5.1 unusable 段寄存器 327
4.7.5.2 加载GDTR 与IDTR . 327
4.7.6 加载RIP、RSP 和RFLAGS . 327
4.7.7 加载PDPTE 表项 327
4.8 刷新处理器cache 328
4.9 更新Vritual-APIC 状态 . 328
4.9.1 PPR 虚拟化 . 329
4.9.2 虚拟中断评估与delivery 329
4.10 加载MSR-load 列表 329
4.10.1 IA32_EFER 的加载处理 . 330
4.10.2 其他MSR 字段的加载处理 331
4.11 由加载guest state 引起的VM-entry 失败 331
4.12 事件注入 332
4.12.1 注入事件的delivery . 335
4.12.1.1 保护模式下的事件注入 . 335
4.12.1.2 实模式下的事件注入 . 338
4.12.1.3 virtual-8086 模式下的事件注入 338
4.12.2 注入事件的间接VM-exit 339
4.13 执行pending debug exception . 341
4.13.1 注入事件下的#DB 异常delivery . 342
4.13.2 例子4-1 346
4.13.3 非注入事件下的#DB 异常delivery 351
4.14 使用MTF VM-exit 功能 . 354
4.14.1 注入事件下的MTF VM-exit . 354
4.14.2 非注入事件下的MTF VM-exit 355
4.14.3 MTF VM-exit 与其他VM-exit . 355
4.14.4 MTF VM-exit 的优先级别 . 356
4.14.5 例子4-2 356
4.15 VM-entry 后直接导致VM-exit 的事件 362
4.15.1 VM-exit 事件的优先级别 362
4.15.2 TPR below threshold VM-exit 363
4.15.3 pending MTF VM-exit . 364
4.15.4 由pending debug exception 引发的VM-exit 364
4.15.5 VMX-preemption timer . 364
4.15.6 NMI-window exiting . 366
4.15.7 interrupt-window exiting 367
4.16 处理器的可中断状态 367
4.16.1 中断的阻塞状态 367
4.16.2 阻塞状态的解除 368
4.16.3 中断的阻塞 . 369
4.16.4 VM-entry 后的可中断状态 370
4.17 处理器的活动状态 370
4.17.1 active 与inactive 状态 371
4.17.2 事件的阻塞 . 371
4.17.3 inactive 状态的唤醒 . 372
4.17.4 VM-entry 后的活动状态 . 372
4.18 VM-entry 的机器检查事件 . 373
第5 章 VM-exit 处理 374
5.1 无条件引发VM-exit 的指令 . 374
5.2 有条件引发VM-exit 的指令 . 375
5.3 引发VM-exit 的事件 . 377
5.4 由于VM-entry 失败导致的VM-exit 380
5.5 例子5-1 380
5.6 指令引发的异常与VM-exit 385
5.6.1 优先级高于VM-exit 的异常 . 386
5.6.2 VM-exit 优先级高于指令的异常 . 387
5.6.3 例子5-2 387
5.7 VM-exit 的处理流程 389
5.8 记录VM-exit 的相关信息 . 390
5.9 更新VM-entry 区域字段 391
5.10 更新处理器状态信息 391
5.10.1 直接VM-exit 事件下的状态更新 . 393
5.10.2 间接VM-exit 事件下的状态更新 . 394
5.10.3 其他情况下的状态更新 395
5.11 保存guest 环境信息 397
5.11.1 保存控制寄存器，debug 寄存器及MSR 397
5.11.2 保存RIP 与RSP 397
5.11.3 保存RFLAGS . 399
5.11.4 保存段寄存器 399
5.11.5 保存GDTR 与IDTR 400
5.11.6 保存activity 与interruptibility 状态信息 . 400
5.11.7 保存pending debug exception 信息 400
5.11.8 保存VMX-preemption timer 值 . 402
5.11.9 保存PDPTE 402
5.11.10 保存SMBASE 与VMCS-link pointer . 403
5.12 保存MSR-store 列表 . 403
5.13 加载host 环境 404
5.13.1 加载控制寄存器 404
5.13.2 加载DR7 与MSR 405
5.13.3 加载host 段寄存器 405
5.13.3.1 加载selector . 406
5.13.3.2 加载base 406
5.13.3.3 加载limit . 406
5.13.3.4 加载access rights 407
5.13.4 加载GDTR 与IDTR 408
5.13.5 加载RIP，RSP 及RFLAGS . 408
5.13.6 加载PDPTE 408
5.14 更新host 处理器状态信息 409
5.15 刷新处理器cache 信息 . 409
5.16 加载MSR-load 列表 410
5.17 VMX-abort . 411
第6 章 内存虚拟化 . 412
6.1 EPT（扩展页表）机制 . 412
6.1.1 EPT 机制概述 . 413
6.1.1.1 guest 分页机制与EPT . 413
6.1.2 EPT 页表结构 . 416
6.1.3 guest-physical address . 417
6.1.4 EPTP 417
6.1.5 4K 页面下的EPT 页表结构 418
6.1.6 2M 页面下的EPT 页表结构 . 422
6.1.7 1G 页面下的EPT 页表结构 424
6.1.8 EPT 导致的VM-exit 426
6.1.8.1 EPT violation 426
6.1.8.2 EPT misconfiguration . 427
6.1.8.3 EPT 页故障的优先级 . 428
6.1.8.4 修复EPT 页故障 431
6.1.9 accessed 与dirty 标志位 . 436
6.1.10 EPT 内存类型 438
6.1.11 EPTP switching 440
6.1.12 实现EPT 机制 . 442
6.2 Cache 管理 . 454
6.2.1 linear mapping（线性映射） . 455
6.2.2 guest-physical mapping（guest 物理映射） . 456
6.2.3 combined mapping（合并映射） . 457
6.2.4 cache 域 458
6.2.5 cache 建立 463
6.2.6 cache 刷新 465
6.2.6.1 INVLPG 指令刷新cache . 468
6.2.6.2 INVPCID 指令刷新cache 468
6.2.6.3 INVVPID 指令刷新cache 469
6.2.6.4 INVEPT 指令刷新cache 470
6.2.6.5 INVVPID 指令使用指南 470
6.2.6.6 INVEPT 指令使用指南 471
6.3 内存虚拟化管理 473
6.3.1 分配物理内存 . 473
6.3.2 实模式guest OS 内存处理 475
6.3.3 guest 内存虚拟化 . 476
6.3.3.1 guest 虚拟地址转换 477
6.3.3.2 guest OS 的cache 管理 479
6.4 例子6-1 482
6.4.1 GuestBoot 模块 483
6.4.2 GuestKernel 模块 . 486
6.4.3 VSB 结构 . 495
6.4.4 VMM 初始化guest 498
6.4.5 使用VMX-preemption timer . 503
6.4.6 host 处理流程 507
6.4.7 运行结果 511
第7 章 中断虚拟化 522
7.1 异常处理 522
7.1.1 反射异常给guest . 523
7.1.2 恢复guest 异常 . 526
7.1.2.1 直接恢复 . 526
7.1.2.2 例子7-1 . 527
7.1.2.3 恢复原始向量事件 533
7.1.3 处理任务切换 . 535
7.1.3.1 检查任务切换条件 535
7.1.3.2 VMM 处理任务切换 . 537
7.1.3.3 恢复guest 运行 547
7.1.3.4 例子7-2 . 551
7.2 Local APIC 虚拟化 554
7.2.1 监控guest 访问local APIC . 554
7.2.1.1 例子7-3 . 555
7.2.2 local APIC 虚拟化机制 . 571
7.2.3 APIC-access page . 573
7.2.3.1 APIC-access page 的设置 . 574
7.2.4 虚拟化x2APIC MSR 组 . 577
7.2.5 virtual-APIC page . 578
7.2.6 APIC-access VM-exit 581
7.2.6.1 APIC-access VM-exit 优先级别 581
7.2.7 虚拟化读取APIC-access page . 582
7.2.8 虚拟化写入APIC-access page . 584
7.2.9 虚拟化基于MSR 读local APIC 587
7.2.10 虚拟化基于MSR 写local APIC . 588
7.2.11 虚拟化基于CR8 访问TPR . 589
7.2.12 local APIC 虚拟化操作 . 589
7.2.12.1 TPR 虚拟化 590
7.2.12.2 PPR 虚拟化 591
7.2.12.3 EOI 虚拟化. 591
7.2.12.4 Self-IPI 虚拟化 . 593
7.2.13 虚拟中断的评估与delivery . 593
7.2.13.1 虚拟中断的评估 . 594
7.2.13.2 虚拟中断的delivery 596
7.2.14 posted-interrupt 处理 . 597
7.3 中断处理 601
7.3.1 拦截INT 指令 . 601
7.3.1.1 处理IDTR.limit 602
7.3.1.2 处理#GP 异常 605
7.3.1.3 处理中断delivery . 608
7.3.1.4 完成中断的delivery 操作 618
7.3.1.5 例子7-4 . 628
7.3.2 处理NMI . 632
7.3.2.1 拦截NMI . 632
7.3.2.2 虚拟NMI . 634
7.3.3 处理外部中断 . 634
7.3.3.1 拦截外部中断 . 634
7.3.3.2 转发外部中断 . 635
7.3.3.3 监控guest 设置8259 . 637
7.3.3.4 例子7-5 . 642