Vt d capability что это

Виртуализация¹

В предыдущей части я рассказал о трёх режимах IA-32: защищённом, VM86 и SMM. Хотя их и не принято связывать с виртуализацией, они служат для создания изолированных окружений для программ, исполняемых на процессоре. В этой статье я опишу «настоящую» технологию виртуализации Intel VT-x. Я хочу показать, как теория эффективной виртуализации проявляется в каждом аспекте её практической реализации.

На КДПВ: Запущенная под управлением Ubuntu Linux программа Oracle VirtualBox, в которой запущена операционная система MS Windows XP, в которой исполняется симулятор Bochs, в котором запущена операционная система FreeDOS, в котором запущен симулятор MYZ80 для процессора Z80, в котором загружена операционная система CP/M (в полноэкранном режиме).

В 2006 году Intel представила VT-x — расширение для эффективной виртуализации архитектуры IA-32. Оно включает в себя набор инструкций VMX и два новых режима работы. Я не хочу повторять здесь всю документацию, это очень скучно как писать, так и читать. Однако я опишу некоторые особенности предложенных в ней интерфейсов.

Обойтись для виртуализации уже существующими режимами процессора было нельзя, т.к. некоторое количество существовавших к тому моменту инструкций IA-32 были служебными, но не привилегированными и, согласно теории, их невозможно было бы эффективно перехватывать и эмулировать. Новые режимы были названы root и non-root, и они, в общем-то, ортогональны всем классическим режимам (хотя тут есть особенности, см. дальше). Первый из них — для монитора виртуальных машин, второй — для гостевых окружений. По умолчанию после включения питания виртуализация недоступна. Вход в режим root происходит после исполнения новой инструкции VMXON, а последующие входы в non-root — с помощью VMLAUNCH/VMRESUME.

Ключевой процесс в любой системе аппаратной виртуализации — это сохранение текущего состояния процессора гостя и загрузка состояния монитора. В VT-x здесь всё сделано строго по упомянутой теории. Для хранения состояний как гостя, так и хозяина используется сущность под названием VMCS (англ. Virtual Machine Control Structure). Это структура должна быть своя для каждого активного гостя. На следующем рисунке, иллюстрирующем переходы между режимами root и non-root, внутри VMCS используются две области: состояние гостя (guest-state) и состояние хозяина (host-state).

На этом рисунке событие VM-Entry — это одна из двух инструкций: VMLAUNCH или VMRESUME, — а VM-Exit — одно из множества синхронных и асинхронных событий, объявленных привилегированными в контексте VT-x non-root и потому требующих перехвата монитором. Детали того, что и как загружать при переходе из root в non-root и обратно, также хранятся в VMCS в т.н. VM-entry и VM-exit controls, «параметры входа и выхода». Области сохранения разбиты на поля, каждое из которых хранит в себе регистр или другую архитектурную информацию процессора.

Работа с VMCS

Я хочу показать, как тщательно подошли создатели VT-x к обеспечению версионности и обратной совместимости с будущими реализациями. Ключевой элемент дизайна здесь — это удивительная (учитывая его низкоуровневость) абстрактность предлагаемого интерфейса. Вместо того, чтобы описать раскладку структуры VMCS в памяти и разрешить работать с ней с помощью обычных инструкций LOAD и STORE, были введены две новые инструкции: VMREAD и VMWRITE. И оперируют они не смещениями байт внутри структуры, а кодировками отдельных полей. Более того, не гарантируется даже, что все поля в памяти хранят актуальные значения. Процессор может кэшировать некоторые из них, ускоряя тем самым процесс переключения режимов — данные не приходится подгружать из медленной памяти. Он обязан выгрузить всё в память только при исполнении VMCLEAR.
В результате введения такого уровня косвенности создатели будущих вариантов VT-x не будут привязаны требованиями совместимости раскладки VMCS в памяти с существующими реализациями.
Для сравнения данного метода с альтернативами посмотрите на то, как описывается работа инструкций XSAVE и XRSTOR [1], используемых для сохранения и восстановления векторных регистров. Так как векторные регистры после сохранения хранятся в памяти, смещения для них можно использовать в обычных операциях с ней. А вот для раскладка полей в памяти описана в отдельном листе данных, возвращаемых инструкцией CPUID.

Индикация доступной функциональности

Продолжу рассказ об особенностях VT-x, который удивили меня своей продуманностью (не обо всех расширениях наборов инструкций можно такое сказать). Многие из них касаются идентификации поддержки существующих, а также будущих расширений этой технологии.

Вместо того, чтобы поместить информацию о VT-x в вывод инструкции CPUID, были добавлены новые регистры группы Model-specific register или MSR. Это вполне оправдано — MSRы можно читать только из привилегированного режима, пользовательским приложениям незачем знать об особенностях поддержки виртуализации текущего процессора. О том, что виртуализация поддерживается, сообщает единственный бит CPUID.1.ECX[5].

Версионность и индикация расширений

Описанию механизма индикации поддерживаемых расширений VT-x посвящено приложение A из Intel SDM [1]. Возможность эволюции проходит через все представленные в документации MSRы.

Так, регистр IA32_VMX_BASIC разбит на несколько полей. Одно из них содержит ревизию структуры VMCS. Равенство ревизий двух реализаций VMCS означает равенство размеров областей памяти для их хранения. Выставленный в этом регистре бит 55 означает, что ряд элементов конфигурации, которые в первой редакции VT-x имели жёстко зафиксированные значения (только вкл. или только выкл.), в этой реализации уже могут быть переключены в отличное от первоначального состояние.

Полный список MSRов, описывающих возможности, включает в себя регистры IA32_VMX_(TRUE_)PINBASED_CTLS, IA32_VMX_(TRUE_)PROCBASED_CTLS, IA32_VMX_PROCBSAED_CTLS2, IA32_VMX_(TRUE_)EXIT_CTLS, IA32_VMX_(TRUE_)ENTRY_CTLS. В сумме они определяют, какие архитектурные события могут вызвать VM-exit, что допустимо загружать при VM-entry. Изначально заведённого в первой ревизии VT-x набора регистров оказалось недостаточно, поэтому появились «TRUE»-варианты некоторых из них. По этой же причине PROCBASED_CTLS был расширен с помощью PROCBASED_CTLS2.
В отличие от традиционного подхода, когда под каждую новую фичу заводится один бит в регистре, который означает, поддерживается ли она или нет, в VT-x имеется по два бита на каждое расширение архитектуры. Первый бит означает возможность включения некоторой функциональности, а второй — её выключения. Влияет это на то, какие биты в составе управляющих полей VMCS монитор может модифицировать. Так, например, может оказаться так, что в некоторых процессорах будет нельзя выключить генерацию VT-exit по инструкции RDRAND, а в других, наоборот, нельзя такой выход включить.
Для тех полей, которые могут находиться в любом из двух состояний, программе-монитору разрешается настраивать их под свои возможности и использовать только те, которые были заложены в его логику, даже если монитор запущен на более современном процессоре, предлагающем более эффективные техники.
Данное решение создаёт простор для эволюции как процессоров, так и программ-мониторов виртуальных машин. Первые могут бросить поддержку старых фич, просто обозначив, что они не могут быть включены, а вторые могут детектировать и использовать только ту функциональность аппаратуры, на которую они запрограммированы. Тем самым сохраняется обратная совместимость и обеспечивается прямая совместимость.

Эволюция VT-x

Раз столько усилий было потрачено на поддержку расширений VT-x, таких расширений, наверное, должно быть много. Я расскажу о некоторых из них в этой статье, а остальные попридержу на потом, когда осмысленность их введения станет более понятной.
Но сперва хочется подумать об общем векторе развития VT-x — зачем все эти расширения существуют.
Виртуализация должна быть эффективной, т.е. вносить минимально возможные накладные расходы по сравнению с прямым исполнением гостя на аппаратуре. Это формулируется как «не мешать исполняться как можно большему числу операций». Общий принцип оптимизации — ускорять в первую очередь те подсистемы, что стоят на критическом пути производительности. После устранения главного узкого места нужно переходить к следующему по важности. Рассмотрим порядок важности для вычислительных систем.

1. Инструкции процессора. Самый важный ресурс — это ЦПУ, и именно на исполнение большинства инструкций без замедления была направлены самая первая версия VT-x. Последующие улучшения в этом направлении были направлены на то, чтобы ещё меньшее число инструкций вызывали VM-exit, а также чтобы все режимы процессора могли быть виртуализованы (см. секции про Unrestricted Guest и SMM далее в этой статье).
2. Работа с памятью. Здесь частая, но потенциально медленная операция — это трансляция линейных адресов в физические. Её детали и решение описаны в моей предыдущей статье, так что не буду повторяться. В IA-32 соответствующее расширение названо Intel EPT (англ. Extended Page Translation), и оно работает согласно теории. Такой ресурс, как TLB, также требовал виртуализации, и она была обеспечена с введением VPID — техники ассоциации его записей с отдельными гостями.
3. Виртуальный APIC (англ. Advanced Programmable Interrupt Controller). Контроллер прерываний может оказаться узким местом в производительности монитора, так как нагрузка на него с ростом числа одновременно работающих виртуальных машин (и интенсивности прерываний в системе) растёт. Поэтому было сделано несколько расширений VT-x для виртуализации функций APIC: виртуальная страница памяти для регистров APIC, TPR shadow, CR8 load exiting, virtualize x2APIC mode.
4. Периферийные устройства, требующие широкой полосы пропускания для своей работы, например, графические ускорители. Для этих устройств требуется эффективно преобразовывать адреса в памяти для DMA, а также обрабатывать прерывания, в обоих случаях делая это с минимальным участием монитора. За эту функциональность отвечает уже не спецификация Intel VT-x, а Intel VT-d [2].

Unrestricted Guest

Защищённый режим со включенными сегментацией и страничным механизмом поддерживается с самой первой редакции VT-x. Остальные режимы, в т.ч. 16-битный реальный, запускать напрямую в non-root режиме было невозможно — попытка загрузить такое гостевое состояние с помощью VMLAUNCH/VMRESUME вернулась бы с неуспехом. С одной стороны, это ограничение было разумным — большинство практически важных задач работают именно в защищённом режиме, и следовало виртуализовать его в первую очередь.
С другой стороны, при загрузке традиционной ОС процессор, прежде чем войти в защищённый режим, некоторое время всё же исполняется в других режимах. В мониторе для их поддержки приходилось иметь альтернативный механизм симуляции — интерпретатор, двоичный транслятор, возврат к VM86 или что-то подобное. Это не сказывалось положительно ни на объёме кода монитора, ни на скорости его работы. Поэтому в последующих поколениях VT-x был введён т.н. режим Unrestricted Guest — исполнение гостевых систем, не использующих защищённый режим.

Взаимодействие с SMM

Во время работы root и non-root режимов VT-x всё так же возможно возникновение прерываний #SMI, которые должны безусловным образом переводить процессор в SMM-режим. Процесс переходов в/из SMM-режима был модифицирован, чтобы учитывать специфику работы виртуализации.

• За переход в SMM отвечает особенный вид VM-exit, названный SMM VM exit. Процессы, которые происходят при этом, имеют некоторые отличия от обычных событий VM-exit.
• SMM VM exit — единственный вид выхода, который может случиться внутри root-режима, т.е. во время работы монитора виртуальных машин. Обычные VM-exit могут случится только при работе гостей.
• Для хранения состояния и управления переходами SMM VM-exit выделяется отдельная VMCS.
• Если в классическом случае для окончания работы в SMM-режиме использовалась инструкция RSM, то при включенной виртуализации для этого используется обычный VM-entry, которые возвращается или в монитор (если выход был из root-режима), или в гостевое окружение (в non-root).
• Вход в SMM возможен явным образом из root-режима, с помощью инструкции VMCALL, а не только по прерыванию #SMI.

К данному моменту я надеюсь, что мне удалось обрисовать мотивацию, основные идеи и направления развития Intel VTx. Здесь я мог бы закончить свой рассказ, но…

Продолжение следует

Если некоторая технология оказывается успешной, то довольно быстро её пользователи начинают придумывать совершенно неожиданные для создателей способы её использования, в т.ч. «неправильные». Не обошло это и виртуализацию. Виртуальные машины заменили физические во многих областях. Их стали объединять в облака, продавать/сдавать в аренду. А конечные пользователи стали запускать внутри выданных им систем свои виртуальные машины. И тут оказалось, что подобный сценарий вложенной (nested) виртуализации не был изначально предусмотрен создателями аппаратуры. Что было сделано для того, чтобы поддержать эффективную работу одних виртуальных машин внутри других на архитектуре Intel — об этом будет следующая часть статьи.

Опция BIOS Virtualization — как включить виртуализацию в BIOS

Опция Virtualization Technology. Включение данной опции включает технологию аппаратной виртуализации, основанной на специальной процессорной архитектуре. В отличие от программной виртуализации, с помощью данной техники возможно использование изолированных гостевых систем (виртуальных машинах — VMware, Virtual PC и тд.), управляемых гипервизором напрямую. Гостевая система не зависит от архитектуры хостовой платформы и реализации платформы виртуализации.

На работу программ пользователя в стандартной операционной системе данная опция практически не влияет.

Значения опции:

• Enabled,
• Disabled

Опция также может иметь другие названия:

• Virtualization Technology
• Vanderpool Technology
• VT Technology
• Virtualization

Примечание 1.Аппаратная виртуализация виртуализация с поддержкой специальной процессорной архитектуры. Аппаратная виртуализация обеспечивает производительность, сравнимую с производительностью невиртуализованной машины, что дает виртуализации возможность практического использования и влечет её широкое распространение. Наиболее распространены технологии виртуализации Intel-VT и AMD-V.

1. В Intel VT (Intel Virtualization Technology) реализована виртуализация режима реальной адресации (режим совместимости с 8086). Соответствующая аппаратная виртуализация ввода-вывода — VT-d. Часто обозначается аббревиатурой VMX (Virtual Machine eXtension). Кодовое название — Vanderpool.
2. AMD-V часто обозначается аббревиатурой SVM (Secure Virtual Machines). Кодовое название — Pacifica. Соответствующая технология виртуализации ввода-вывода — IOMMU. AMD-V проще и эффективнее, чем Intel VT. Поддержка AMD-V появилась в Xen 3.3.

Intel VT (Intel Virtualization Technology) — intel virtualization technology что это?

VT-x 13 ноября 2005 года Intel выпустила две модели Pentium 4 (модели 662 и 672), которые стали первыми процессорами, поддерживающими VT-x («Vanderpool»). VT-x представляет собой технологию виртуализации Intel режима реальной адресации на платформе x86 — VMX (Virtual Machine eXtension).

Реализована виртуализация режима реальной адресации (режим совместимости с 8086).

VT-d (Virtualization technology for directed I/O) — технология аппаратной виртуализации ввода-вывода , созданная корпорацией Intel в дополнение к её технологии виртуализации вычислений VT-x. Виртуализация ввода-вывода позволяет пробрасывать (pass-through) устройства на шине PCI (и более современных подобных шинах) в гостевую ОС, таким образом, что она может работать с ним с помощью своих штатных средств. Чтобы такое было возможно, в логических схемах системной платы используется специальное устройство управления памятью ввода-вывода (IOMMU), работающее аналогично MMU центрального процессора, используя таблицы страниц и специальную таблицу отображения DMA (DMA remapping table — DMAR), которую гипервизор получает от BIOS через ACPI. Отображение DMA необходимо, поскольку гипервизор ничего не знает о специфике работы устройства с памятью по физическим адресам, которые известны лишь драйверу. С помощью DMAR он создает таблицы отображения таким образом, что драйвер гостевой ОС видит виртуальные адреса IOMMU аналогично тому, как бы он видел физические без него и гипервизора.

Intel Virtualization Technology for Directed I/O (VT-d) — это следующий важный шаг на пути к всеобъемлющей аппаратной поддержке виртуализации платформ на базе Intel. VT-d расширяет возможности технологии Virtualization Technology (VT), существующей в IA-32 (VT-x) и Itanium (VT-i), и добавляет поддержку виртуализации новых устройств ввода-вывода. Ознакомиться подробнее с технической стороной вопроса можно здесь https://ru.wikipedia.org/wiki/

Программа Setup BIOS фирмы AWARD Software International Inc на системных платах GIGABYTE TECHNOLOGY

Название данной опции у данного производителя в данной версии BIOS:

Virtualization значение по умолчанию [Disabled]

Hardware assisted VirtuaIization Technology which help improve performance of system running VirtuaI Machine Softwares.

Virtual Machine allows multiple OS on one conputer simultaneously.

Оборудование для помощи VirtuaIization — технология которая помогает повысить производительность системы, работающей на VirtuaI-машине.

Виртуальная машина позволяет запускать более производительно несколько ОС на одном компьютерные одновременно.

Не включать технологию аппаратной виртуализации, основанной на специальной процессорной архитектуре.

Включает технологию аппаратной виртуализации, основанной на специальной процессорной архитектуре.

Программа Aptio Setup Utility — BIOS фирмы American Megatrends Inc на системных платах Dell Inc.

Название данной опции у данного производителя в данной версии BIOS (ноутбук):

Virtualization значение по умолчанию [Enabled]

Эта опция определяет, будет ли монитор виртуальных машин (VMM) использовать дополнительные аппаратные возможности, обеспечиваемые Intel (R) Virtualization Technology.

Введено = Включить Virtualization Technology.

Заводская настройка по умолчанию — Включена поддержка.

Программа BIOS InsydeH20 Setup Utility компании Insyde Software на на системных платах Hewlett-Packard Company (HP)

Название данной опции у данного производителя в данной версии BIOS:

Virtualization Technology значение по умолчанию [Disabled]

Данная опция находится на вкладке: «System Configuration»

Hardware VT enables a processor feature for running multiple simultaneous virtual machines allowing specialized software application to run in full isolation of each other. HP recommends that this feature remain disabled unless specialized unless specialized application are being user.

Аппаратные средства VT включают функции процессора для запуска нескольких виртуальных машин одновременно, позволяя специализированным прикладным программам запускать в полной изоляции друг от друга приложения. HP рекомендует, чтобы эта функция оставалась отключенной, если пользователь не использует специально предназначенное для этого специализированное приложение.

Навигация и настройка значений БИОС InsydeH20 Setup Utility фирмы Insyde Software осуществляется стандартно, с помощью следующих клавиш:

Intel® Virtualization Technology for Directed I/O (VT-d) -это что?

Глобальный подход корпорации Intel к виртуализации привел к созданию нескольких аппаратных технологий поддержки на платформах, упрощающих виртуализацию и делающих ее более надежной, а также нередко позволяющих сократить программные издержки, связанные с виртуализацией. В этой статье описываются улучшения виртуализации системы ввода/вывода, обеспечиваемые технологией Intel® Virtualization Technology (Intel® VT) for Directed I/O (Intel® VT-d) и рассказывается о подходе корпорации Intel к виртуализации системы ввода/вывода. Технология Intel® Virtualization Technology for Directed I/O (Intel® VT-d) дополняет ассортимент технологий виртуализации Intel, обеспечивающих аппаратную поддержку решений виртуализации. Технология Intel VT-d поддерживает существующую в процессорах IA-32 (Intel® VT-x) и Intel® Itanium® (Intel® VT-i) поддержку виртуализации, добавляя новый уровень аппаратной поддержки виртуализации устройств ввода/вывода.

Аппаратная поддержка Intel VT-d обеспечивает возможность изменения адресов, что позволяет контролировать и отслеживать адреса DMA, а также позволяет непосредственно назначать устройства ввода/вывода под управлением системного программного обеспечения. Механизм Intel VT-d обеспечивает достаточный уровень изоляции для обеспечения высокого уровня надежности, непрерывности работы и защиты виртуальных сред.