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E6998–虚拟机

课程2

CPU虚拟化ScottDevineVMware,Inc.1/31

提要CPU背景虚拟化技术系统ISA虚拟化指令解释陷入模拟二进制翻译混合模型2/31

计算机系统组成CPUMMU内存控制器当地总线I接口高速I/O总线NIC控制器桥帧缓存LAN低速I/O总线USBCD-ROM3/31

CPU组成指令系统结构(ISA)定义:对编程人员可见状态存放器和内存在这些状态上进行操作指令经典ISA划分为2部分用户ISA主要用来计算系统ISA主要用来管理系统资源4/31

用户ISA–状态用户虚拟内存程序计数器条件码存放器Reg0Reg1Regn-1FP0FP1FPn-1专用存放器通用[普通]存放器浮点存放器5/31

用户ISA–指令加减与比较…载入字节载入字多路存放压栈…跳转相等跳转调用返回…单精度加双精度乘双精度开根号…整数内存控制流[图]浮点数取指存放器操作发射IntegerIntegerMemoryFP经典指令流水线译码指令集6/31

系统ISA特权级别控制存放器陷入和中止硬编码向量分配表系统时钟内存管理单元MMU页表TLBI/O设备访问SystemUserUserExtensionKernelLevel0Level1Level27/31

提要CPU背景虚拟化技术系统ISA虚拟化指令解释陷入模拟二进制翻译混合模型8/31

Isomorphism形式上讲，虚拟化就是从客户机状态到宿主机状态同构结构GuestSiSjHostSi’Sj’e(Si)e’(Si’)V(Si)V(Sj)9/31

系统指令体系结构虚拟化监视器需要硬件支持比如:监视器必须能够控制实际硬件中止访问硬件使得虚拟机（VM）破坏隔离性比如:访问MMU使得VM能够写任何页所以…客户机全部对虚拟系统ISA访问操作必须由监视器软件模拟实现。系统状态保留在内存中。系统指令都由虚拟机监视器相关函数实现[相关函数实现在监视器中]10/31

示例：CPU状态staticstruct{uint32GPR[16];uint32LR;uint32PC;intIE;intIRQ;}CPUState;voidCPU_CLI(void){CPUState.IE=0;}voidCPU_STI(void){CPUState.IE=1;}CPU虚拟化技术目标能够尽可能快处理普通指令特权指令转交给模拟例程11/31

指令解释模拟取指/译码/执行软件流水线优点轻易实现复杂度最低缺点慢!12/31

实例:虚拟化中止标识

w/指令解释器voidCPU_Run(void){while(1){inst=Fetch(CPUState.PC);CPUState.PC+=4;switch(inst){caseADD:CPUState.GPR[rd]=GPR[rn]+GPR[rm];break;…caseCLI:CPU_CLI();break;caseSTI:CPU_STI();break;}if(CPUState.IRQCPUState.IE){CPUState.IE=0;CPU_Vector(EXC_INT);}}}voidCPU_CLI(void){CPUState.IE=0;}voidCPU_STI(void){CPUState.IE=1;}voidCPU_Vector(intexc){CPUState.LR=CPUState.PC;CPUState.PC=disTab[exc];}13/31

陷入和模拟客户操作系统+应用虚拟机监视器缺页未定义指令虚拟中止MMU模拟CPU模拟I/O模拟非特权态特权态14/31

“严格可虚拟化”处理器能够虚拟化前提是：当运行一个不是很特权模式时:全部访问特权状态指令都陷入全部指令要么陷入，要么和原来一样执行…15/31

陷入模拟问题并不是全部体系结构都支持陷入代价比较高监视器在特权级别需要虚拟化保护级别16/31

二进制翻译翻译器客户代码翻译缓存翻译缓存[TC]索引CPU模拟例程17/31

基本块vPCmovebx,eaxcliandebx,~0xfffmovebx,cr3s