oscamp：操作系统 Hypervisor 方向（Draft） - 🐱 寒冰是喵喵
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oscamp：操作系统 Hypervisor 方向（Draft）

🐱 寒冰
🏷 #rust#os#hypervisor

跪了，开发环境好麻烦哦！！！

是 OS 训练营阶段四（以前的阶段三）的虚拟化任务，借此机会来学习虚拟化相关的知识。

开发环境

我的开发环境是位于 PVE 中的虚拟机，所以如果需要虚拟机也支持 vmx 技术就需要在 PVE 上打开嵌套虚拟化。

Windows 同理，且虚拟化技术至少需要从 BIOS 打开虚拟化支持，Windows 平台中打开任务管理器切换到 CPU 详细页右下角就可以看到支持信息。WSL 本质是虚拟机，因此如果是在 WSL 中进行开发也需要打开嵌套虚拟化。

在虚拟机中使用 grep "vmx|svm" /proc/cpuinfo 如果有输出则说明已经启用了嵌套虚拟化。

# INTEL
modprobe -r kvm_intel 
modprobe kvm_intel nested=1
# 这句是添加到启动时也同时加载模块，amd 也同样是这样
echo "options kvm_intel nested=1" >> /etc/modprobe.d/modprobe.conf

# AMD
modprobe -r kvm_amd
modprobe kvm_amd nested=1
echo "options kvm_amd nested=1" >> /etc/modprobe.d/modprobe.conf

其实就这两条指令，但是 PVE 需要关闭了全部 kvm 虚拟机才可以进行操作。而我的 PVE 里同时还有软路由虚拟机（？），如果关闭了它意味着我无法通过网络连接到机器上。

完成后使用 cat /sys/module/kvm_intel/parameters/nested 查询 PVE 是否已经打开嵌套虚拟化。输出结果可能会是 1 或者 Y 。

AMD 不嘻嘻

umhv not support amd

根据 arceos-hypervisor 社区成员的反馈，arceos-umhv 暂时还不支持 AMD 平台。😣😣😣

且我换用 Intel 的 WIndows 机器也不可以，我猜这和 Windows 的内核保护有关。

hv

AMD 不嘻嘻，Intel 也没好哪里去！

考虑到关闭 Windows 内核保护在我本机容易引起蓝屏 + 不方便在教室里写代码，尝试使用 bochs 模拟器对 vmx 进行模拟和尝试写一写 AMD svm 的兼容代码。

在 Bochs 中全仿真 vmx

# 在 umhv 中使用 make 直接进行编译
$ make

# 产生文件
# ./arceos-umhv/arceos-vmm/arceos-vmm_x86_64-qemu-q35.elf
# ./arceos-umhv/arceos-vmm/arceos-vmm_x86_64-qemu-q35.bin
# ./arceos-umhv/arceos-vmm/arceos-vmm_x86_64-qemu-q35.asm

# 从文件里查询是否具有 Multiboot 头以便使用 grub 进行引导
$ hexdump -C /home/hanbings/github/arceos-umhv/arceos-vmm/arceos-vmm_x86_64-qemu-q35.elf | grep -E '02 b0 ad 1b| d6 50 52 e8'         
00001000  89 c7 89 de eb 22 66 90  02 b0 ad 1b 02 00 01 00  |....."f.........|

# Multiboot 1 魔数：0x1BADB002
# Multiboot 2 魔数：0xE85250D6
# 说明我们这里的是 Multiboot 1 的文件

Intel VMX 指令集与 AMD SVM 指令集

特性Intel VT-x (VMCS)AMD V (VMCB)
数据结构名称Virtual Machine Control Structure (VMCS)Virtual Machine Control Block (VMCB)
数据结构存储硬件内部（需要通过 VMREAD 和 VMWRITE 访问）显式内存结构（直接可通过内存指针访问）
数据结构大小不固定（硬件实现决定），通常 ≥4KB固定大小：4 KB
访问方式使用指令：VMREAD/VMWRITE直接内存访问
组成部分多个字段：控制字段、Guest 状态字段、Host 状态字段等两部分：控制区域 和 状态保存区域
指令拦截机制配置拦截字段：I/O 位图、MSR 位图、控制字段等精细化拦截：位图支持，对指令、I/O 操作的拦截更加灵活
二级地址转换支持使用 EPT（Extended Page Table）使用 NPT（Nested Page Table）
灵活性受限于硬件设计，部分功能依赖 Intel 固定的机制更加灵活，因 VMCB 可直接通过内存访问，自定义更方便
事件注入功能支持：通过 VMCS 的字段注入中断或异常支持：通过控制区域注入中断或异常
性能优化VMCS 缓存到硬件中，通过 VMCS Shadowing 提高性能直接内存访问，无需硬件缓存，但性能略低
断点和调试支持可在 VMCS 中设置调试寄存器和断点配置可通过 VMCB 的状态保存区域直接设置调试寄存器
状态保存机制使用 VMCS 的 Guest 状态字段保存虚拟机寄存器及状态使用 VMCB 的状态保存区域存储虚拟机寄存器及状态
扩展性添加新功能需要通过硬件升级可通过软件扩展 VMCB 的内容
I/O 位图支持支持，通过字段配置 I/O 位图支持，通过控制区域设置 I/O 位图指针
MSR（Model Specific Register）管理MSR 位图用于拦截和控制 MSR 访问MSR 拦截由拦截字段和控制区域灵活配置
时间管理（TSC 偏移）支持：通过 TSC_OFFSET 字段控制支持：通过 TSC 偏移字段直接操作
Nested Virtualization（嵌套虚拟化）支持（VMCS Shadowing）支持（通过嵌套 VMCB 配置）
指令支持专用指令：VMXON、VMRESUME、VMEXIT、VMREAD 等专用指令：VMRUN、VMEXIT、VMSAVE、VMLOAD

需要做的工作为：

  • CPU 虚拟化支持
  • 内存虚拟化
  • 中断虚拟化
  • 设备虚拟化

目前思路

  1. 为简化环境，为 https://github.com/equation314/RVM-Tutorial 适配 SVM
  2. 在 RVM 中可运行的 SVM 代码移植回 https://github.com/arceos-hypervisor/x86_vcpu
  3. 为 https://github.com/arceos-hypervisor/axvcpu 添加适配 SVM 的代码
  4. 为 https://github.com/arceos-hypervisor/arceos-umhv 添加适配 SVM 的代码
  5. 向 https://github.com/gz/rust-x86 仓库贡献 svm 代码（也许）

进度

虚拟化技术：AMD SVM Hypervisor

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