在本阶段，我们将对虚拟化中的基本概念，以及 Intel VMX 指令扩展进行简单介绍。在代码部分，将实现 VMX 模式的使能与关闭。

代码：https://github.com/equation314/RVM-Tutorial/commit/cb8767256b9e444a778d480f75b96be0fba197e0

架构手册：Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual (SDM) Vol. 3C, Chapter 23

• Host 模式：系统的最高特权级，运行 hypervisor。
• Guest 模式：比 host 模式特权级低，但能执行 OS 级别的特权指令，运行 guest OS 等需要 OS 级特权操作的软件。
• Hypervisor：也叫 virtual-machine monitors (VMM)，运行在具有最高特权级的 host 模式，拥有硬件资源的完全控制权限，并管理其上运行的 guest 软件。
• Guest 软件：运行在 guest 模式的软件 (一般是一个操作系统，即 guest OS)，比 hypervisor 特权级低，执行特定指令时会被 hypervisor 拦截 (intercept)，在受控情况下访问硬件资源。
• VM entry：从 host 模式切换到 guest 模式，开始执行 guest 软件的代码。
• VM exit：从 guest 模式切换回 host 模式 (如执行特定指令、发生中断)，开始执行 hypervisor 的代码。
• VCPU：由 hypervisor 虚拟出来的，运行 guest 软件所需的每 CPU 的私有状态。类似于传统 OS 中的线程，一个 guest OS 可具有多个 vCPU，vCPU 数量也可以多于物理 CPU 数量。
• Guest VM：即我们通常说的虚拟机，除了包含一个或多个 vCPU 外，还包含其他全局的系统状态，如 guest 物理内存、虚拟设备等。类似于传统 OS 中的进程，hypervisor 可创建多个 guest VM，各运行一个 guest OS。

Intel VMX (也叫 Intel VT-x)，是 Intel 处理器提供的硬件虚拟化的技术。虽然同为 x86 架构，但 AMD 与 Intel 的硬件虚拟化技术不同，AMD 的被称为 SVM 或 AMD-V。

在处理器使能 VMX 后，将具有两种运行模式 (统称 VMX operation)：

1. VMX root operation：即 host 模式，运行 hypervisor。
2. VMX non-root operation：即 guest 模式，运行 guest 软件。

VMX operation 可以和 x86 特权级相结合，如 VMX non-root ring-0 表示 guest 内核态，运行 guest OS；VMX non-root ring-3 表示 guest 用户态，运行 guest 用户程序。

为了配置 VMX non-root operation 的进入、运行、退出，以及保存 guest 的状态，VMX 中还有一个重要数据结构 Virtual-Machine Control Structure (VMCS)，我们将在 Step 2 详细介绍。

此外 VMX 还提供了一些额外的指令，主要有：

基于 Intel VMX 实现的 hypervisor，其基本工作流程如下：

1. Hypervisor 执行 VMXON 指令，使能 VMX，进入 VMX root operation。
2. Hypervisor 配置 VMCS。
3. Hypervisor 执行 VMLAUNCH/VMRESUME 指令，发生 VM entry，切换到 VMX non-root operation，执行 guest 代码。
4. Guest 软件在发生特定事件后，会导致 VM exit，自动切换回 VMX root operation，hypervisor 需要根据 VM exit 的原因采取进一步操作。
5. Guest 执行完毕，hypervisor 执行 VMOFF 指令，退出 VMX 模式。

本节我们介绍如何使能 VMX 模式。

首先，我们需要检查当前硬件平台是否支持 VMX 指令扩展，这一步又可以细分为两种情况：

• CPU 不支持 VMX
• CPU 支持 VMX，但被 BIOS 禁用

对于 CPU 支持情况，是通过 CPUID 指令 查询 Processor Info and Feature Bits (EAX=1) 中的相关位获知。

对于 BIOS 支持情况，需要查询 IA32_FEATURE_CONTROL MSR 的以下两位：

• Bit 0 lock bit：如果设置，无法修改该 MSR；如果不设置，无法执行 VMXON。
• Bit 2 enables VMXON outside SMX operation：如果不设置，无法 (在 SMX 模式外) 执行 VMXON。

我们希望这两个位都已被设为了 1，否则就要重新设置。不过在 bit 0 为 1，而 bit 2 为 0 时，我们既无法使用 VMXON 指令，又无法修改该 MSR。此时说明 VMX 被 BIOS 禁用，需要在 BIOS 中手动开启。

在使能 VMX 之前，一般还需要检查相关系统寄存器的某些位设置是否符合要求，并检查 VMX 的一些子功能是否被支持，这不影响 VMX 的使能成功，但便于在使能失败或后续操作失败时排查原因。感兴趣的可以参见代码与架构手册。

在执行 VMXON 指令前，需要先将 CR4 的 VMXE 位 (13 位) 设为 1。然后创建 VMXON region，这是一块 4KB 大小 4KB 对齐的特殊内存，其物理地址将作为操作数提供给 VMXON 指令。VMXON region 还需要满足特定的格式：前 4 字节的低 31 位需要设置为 VMCS revision identifier，该值可以在 IA32_VMX_BASIC MSR 的低 31 位中查到。

由于 VMXON 的作用范围只有当前 CPU，所以在多核系统中如果有多个 CPU 需要使能 VMX，则需要在相应 CPU 上各自执行一遍 VMXON 指令，并提供不同的 VMXON region。

如果已使能 VMX，并在 guest 运行结束后要关闭 VMX，应当先执行 VMXOFF 指令，再将 CR4 的 VMXE 位清除。

最后，总结一下使能 VMX 的一般流程：

1. 执行 CPUID 指令，检查 CPU 支持情况。
2. 查询或设置 IA32_FEATURE_CONTROL MSR，检查 VMX 是否被 BIOS 禁用。
3. 查询 IA32_VMX_BASIC MSR，获取 VMCS revision identifier。
4. 创建 VMXON region，写入 VMCS revision identifier。
5. 设置 CR4 的 VMXE 位。
6. 传入 VMXON region 物理地址，执行 VMXON 指令。

本阶段主要工作是搭建了 rvm crate 的基本框架，并使能 VMX。其主要逻辑位于 rvm/src/arch/x86_64/vmx/mod.rs。

首先是检查 VMX 的支持情况，Rust 可使用 raw_cpuid 库来进行 CPUID 各功能的查询:

pub fn has_hardware_support() -> bool {
    if let Some(feature) = raw_cpuid::CpuId::new().get_feature_info() {
        feature.has_vmx()
    } else {
        false
    }
}

VmxPerCpuState (以及架构无关的 RvmPerCpu) 是一个 per-CPU 结构，用于管理每个 CPU 私有的虚拟化相关状态 (如 VMXON region)，由 rvm crate 的调用者创建。不过本项目只提供单核的 hypervisor 实现，无需特别考虑，直接在 hypervisor/src/hv/mod.rs 中 run 函数的栈上创建：

pub fn run() {
    println!("Starting virtualization...");
    println!("Hardware support: {:?}", rvm::has_hardware_support());

    let mut percpu = RvmPerCpu::<RvmHalImpl>::new(0);
    let res = percpu.hardware_enable();
    println!("Hardware enable: {:?}", res);
}

启用 VMX 的具体逻辑位于 VmxPerCpuState::hardware_enable 函数，其中依次执行了以下步骤：

• 确保当前硬件支持 VMX，且还未被使能。
• 检查与配置 IA32_FEATURE_CONTROL MSR。
• 检查 CR0 和 CR4 的位设置是否符合要求 (SDM Vol. 3C, Appendix A.7, A.8)。
• 从 IA32_VMX_BASIC MSR 读取 VMCS revision identifier，并检查其他位是否符合要求。
• 初始化 VMXON region。由于之后阶段配置 VMCS 时也需要分配一个类似的内存区域 (VMCS region)，且格式与 VMXON region 一样，因此代码中用一个 VmxRegion 结构体统一这两种用途。
• 设置 CR4 的 VMXE 位。
• 传入 VMXON region 物理地址，执行 VMXON 指令。

在 msr.rs 中，我们通过 Msr 结构体实现了对各种 MSR 寄存器 (Model-Specific Registers) 的读写。

此外，由于 rvm 是作为一个独立的库，并不具有内存分配功能。所以 rvm 中只会调用内存分配和释放的接口，而具体的实现在 hypervisor 调用时 rvm 时传入，这是通过 hal.rs 中的 trait RvmHal 来实现的。除了内存分配外，物理地址和虚拟地址的相互转换也是通过这种方式提供给 rvm 的：

// The Interfaces which the underlying software (kernel or hypervisor) must implement.
pub trait RvmHal {
    /// Allocates a 4K-sized contiguous physical page, returns its physical address.
    fn alloc_page() -> Option<PhysAddr>;
    /// Deallocates the given physical page.
    fn dealloc_page(paddr: PhysAddr);
    /// Converts a physical address to a virtual address which can access.
    fn phys_to_virt(paddr: PhysAddr) -> VirtAddr;
    /// Converts a virtual address to the corresponding physical address.
    fn virt_to_phys(vaddr: VirtAddr) -> PhysAddr;
}

1. 阅读 Intel SDM Vol. 3C, Chapter 23: Introduction to Virtual Machine Extensions (共 4 页)