Intel VM manual

Vol.3A Chapter 2

System-Level Registers

Descriptor Table

保护模式下，所有内存访问均需经过GDT或LDT，它们含有段描述符项，提供了段基址，访问权限等信息

每个段描述符对应一个段选择器，软件用它来查找GDT表index, global/local flag, access right

接触段中的一个字节，需要段选择器和偏移，前者查表选出段基址，后者算字节位置

Vol.3A Chapter 23

• VMXON进入VMX operations
• VMEntry，VMM使一个Guest进入虚拟机
• VMLaunch, VMResume，VMM使VM entry生效
• VMExit，Gust将操作权转交给VMM指定位置，VMM推出虚拟机
• VMOFF，离开VM operations

VMCS

每个逻辑CPU使用多个VMCS，并将一块内存区域与其结合，VMCS region，使用64bit物理地址指针VMCS pointer指向内存区域，4KB对齐

VMCS启动状态决定在其上使用的VM Entry指令

• VMLaunch: clear
• VMResume: launched

逻辑CPU根据VMCS region维护VMCS launching state，只有以下情况会发生更改：

• VMCS启动状态是clear，那么VMLaunch之后状态变为launched
• VMClear指令的内存操作数是VMCS地址，在指令执行完成后，VMCS状态变为clear

逻辑CPU通过以下操作决定VMCS active current:

• VMPtrld指令的内存操作数为VMCS地址，在指令执行完成后，VMCS为active current
• VMCS shadowing VM-execution控制指令成功实施后会将VMCS内部VMCS链接指针所指（即VMCS本身）设置为active
• VMClear指令的内存操作数是VMCS地址，在指令执行完成后，VMCS inactive noncurrent
• VMPtrst指令将逻辑CPU当前VMCS存入特定的内存

VMCS Region

VMCS修订标识有很多种，VMPtrld将会失败若修订标识不同或为影子VMCS且硬件不支持，硬件是否支持通过读取MSR_IA32_VMX_PROCBASED_CTLS2

软件发现VMCS revision通过读取MSR_IA32_VMX_BASIC

VMCS DATA

Guest-state area

Guest register state

• control registers: CR0,3,4

• Debug Registers

• RSP, RIP, RFLAGS

• CS, SS, DS, ES, FS, GS, LDTR, TR

  • selector(16 bits)
  • Base addr
  • Segment limit(32 bits)
  • Access right(32 bits)
    • [3:0] Segment type
    • [4] system/code or data, descriptor type
    • [6:5] DPL - descriptor priviledge level
    • [7] P - segment presetn
    • [12] AVL - available for use by system software
    • [13] L - 64-bit mode activate, for CS only
    • [14] D/B - default operation type, 16/32-bit segment
    • [15] G - Granularity，粒度
    • [16] Segment unusable(0 - usable)

• fields for each GDTR and IDTR

  • Base addr
  • Limits(32 bits)

• MSRs

• shadow-stack pointer register SSP

• SMBASE register, basr addr of CPU SMRAM image

• Host-state area

• VM-execution control fields

• VM-exit control fields

• VM-exit info fields

Guest non-register state

• activity state(32 bits):逻辑CPU状态
  • 0: Active
  • 1: HLT, inactive because of HLT
  • 2: Shutdown, inactive because of triple fault(三重错误)
  • 3: Wait-for-SIPI, inactive because waiting for startup IPI
• Interuptibility state(32 bits)
• pending debug exceptions
• VMCS link pointer(64 bits): 当VM shadowing VM execution control = 1，VMREAD和VMWRITE使用此指针来获取VMCS
• VMX-preemption timer value(32 bits)
• Page directory pointer table entries(0~4, 64 bits each)
• Guest interrupt status(16 bits)
  • Requesting
  • Servicing
• PML index(16 bits)

Host state area

• control registers: CR0,3,4
• RSP, RIP, RFLAGS
• CS, SS, DS, ES, FS, GS, TR selector fields(16 bits each)
• FS, GS, TR, GDTR, IDTR base addr fields
• MSRs
• shadow-stack pointer register SSP

VM execution control fields

Pin based

一个32bit向量管理interrupts等事务

Processor based

3个向量，管理特殊指令执行：primary(32), secondary(32), VVM-exe ctrl(64)

Exception Bitmap

32 bit，每个对应一个异常，异常触发时查询域中bit，若为1，则VM exit，若为0，则送往IDT

I/O bitmap addr

Time-Stamp Counter offset and multiplier

Guest/Host masks and read shadows for CR0 and CR4

CR3-Target Controls

Controls for APIC Virtualization

MSR-Bitmap addr

Executive-VMCS pointer

Extended page table pointer(EPTP)

VPID

Virtual-Processor Identifier

VM-entry control field

VM-Exit information field

Shadow and ordinary VMCS

• ordinary: 能够被用作VM Entry，non-root模式不能进行VMREAD/VMWRITE
• Shadow:不能用作VM Entry，non-root模式可以VMREAD, VMWRITE

Software Use

VMCS至多在一个处理器上active，如果要复用，使用VMCLEAR

不能修改active VMCS的shadow VMCS indicator，修改应该VMCLEAR

应该使用VMREAD/WRITE而不是普通访存请求获取VMCS数据

VMCLEAR在VMXOFF之前

VMCS每一个域对应32-bit数作为它的编码，编码作为VMREAD/WRITE的操作数