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虚拟化中的虚拟地址与物理地址的映射——EPT机制

2024-02-04 16:47 由 修竹Kirakira 发表于 #其他

虚拟化中的虚拟地址与物理地址的映射——EPT机制

​ 当 secondary processor-based VM-execution control 字段 “enable EPT” 为 1 时，启用 EPT ( Extended Page Table，扩展页表）机制

​ 开启 EPT 机制后 VMM 需要建立 EPT 页表结构，通过在 EPTP ( Extende Page Table Pointer ) 中提供 EPT 页表结构的指针值，为每个 VM 准备不同的 EPT 页表结构或在同一个 EPT 页表结构中准备不同的页表项

1. GPA (guest-physical address) 64位宽

​ guest 软件使用的物理地址，不是真正的物理地址。启用 EPT 机制后，VM 有自己独立的 guest-physical address 空间，每个 VM 之间的 GPA 空间互不干扰。

​ 启用分页时，guest 软件的线性地址首先转换为 GPA，最后 GPA 必须通过 EPT 转换为最终的 HPA

1）有效的GPA值

​ 当前 VMX 架构实现了最高48位有效的GPA值 (bits47:0)。x86/x64 体系下最高可实现 52 位的物理地址。实际 GPA 值宽度与 MAXPHYADDR 值相关

  1. CR3 的 bits 63:N (N= MAXPHYADDR) 是保留位
  2. EPTP 字段 的 bits 63:N (N= MAXPHYADDR) 是保留位。
  3. guest paging structure 里每个表项的 bits 63:N (N = MAXPHYADDR) 是保留位

2）GPA的产生

  1. 由 guest-linear address 转换而来 ( guest 未分页时 guest-linear address 直接等于 GPA )

    32 位分页模式下的线性地址转换为 32 位物理地址，则 GPA 高 32 位补为 0。实模式下线性地性为 20 位(物理地址)，则 GPA 的 bits 63:20 则补为 0 值

  2. 不是由guest-linear address转换而来(执行MOV to CR3指令，或者访问guest paging structure页表项)

2. HPA (host-physical address)

​ 物理平台上的地址。未启用 EPT 机制时，guest 软件的物理地址是 HPA。启用 EPT 机制时，guest 软件的物理地址是 GPA，而 host 软件的物理地址是 HPA。VMM 软件使用的是 HPA

与这两种物理地址相对应的页转换表结构如下：

3. guest paging-structure

​ 存在于 guest 端，是 x86/x64 体系开启分页机制下的产物，用来将线性地址转换为物理地址。但在 guest 中，线性地址通过 guest paging-structure 转换为 guest-physical address，而不是真正的平台物理地址

1）guest 的分页模式

x64（CRO.PG=1 时)：

  1. 当CR4.PAE = 0时，guest使用32位分页模式。当CR4.PSE =1，并且MAXPHYADDR值大于等于40时，允许在4M页面上使用40位的物理地址
  2. 当IA32_EFER.LMA=0，并且CR4.PAE=1时，guest使用PAE分页模式
  3. 当IA32_EFER.LMA= 1，并且CR4.PAE=1时，guest使用IA-32e分页模式

​ guest 的线性地址根据上面的分页模式转换 guest-physical address；当 guest 使用 PAE 分页模式，并且启用 EPT 机制时，在 VM-entry 时会加载 4 个 PDPTE 字段

2）引发 GPA 转换 HPA

  1. guest 进行内存访问，包括读写访问及执行访问
  2. guest 使用 PAE 分页模式加载 PDPTE，包括下面的途径:
    • 执行 MOV to CR3 指令更新 PDPT 基址 (CR3 指向 PDPT)
    • 执行 MOV to CRO 指令修改了 CRO.CD，CRO.NW 或者 CRO.PG 位，从而引起加载 PDPTE
    • 执行 MOV to CR4 指令修改了 CR4.PAE，CR4.PSE，CR4.PGE 或者 CR4.SME 位，从而引起加载 PDPTE
  3. 在 guest-linear address 转换为 guest-physical address 的过程中，处理器访问 guestpaging structure 表项内的地址，它们属于 GPA

3）guest分页机制下GPA的转换

​ 分页机制下，完成整个 guest 访问内存操作会引发一系列的 GPA 转换 HPA 过程。假设 guest 使用 IA-32e 分页模式 (IA32_EFER.LMA = 1，CR4.PAE = 1,CRO.PG =1 )，并且使用 4K 页面

​ 完成这个内存访问操作一共需要进行 5 次 GPA 到 HPA 的转换（N=MAXPHYADDR)

  1. CR3 寄存器的 bits N-1:12 提供 PML4T 基址。在定位 PML4T 时需要对 PML4T 基址进行 GPA 转换。成功转换 HPA 后得到 PML4T 的物理地址，再由 PML4E index 查找 PML4E
  2. PML4E 的 bits N-1:12 提供 PDPT 基址。在定位 PDPT 时需要对 PDPT 基址进行 GPA 转换。在成功转换 HPA 后得到 PDPT 的物理地址，再由 PDPTE index 查找 PDPTE
  3. PDPTE 的 bits N-1:12 提供 PDT 基址。在定位 PDT 时需要对 PDT 基址进行 GPA 转换。在成功转换 HPA 后得到 PDT 的物理地址，再由 PDE index 查找 PDE
  4. PDE 的bits N-1:12 提供 PT 基址。在定位 PT 时需要对PT 基址进行 GPA 转换。在成功转换 HPA 后得到 PT 的物理地址，再由 PTE index 查找 PTE
  5. PTE 的 bits N-1:12 提供 4K page frame 基址。这个 page frame 基址加上 guest-linear address 的 offset 值 (bits 11:0) 得到目标 GPA 值。处理器将这个 GPA 转换为 HPA 得到最终的物理地址，从而完成 guest 内存的访问

​ 在这一系列的 GPA 转换过程中，任何一个环节都可能会产生 EPT violation 或者 EPT misconfiguration 而导致 VM-exit 发生；也可能由于 guest paging structure 而引发 guest 产生 #PF 异常，从而使得 guest 处理 #PF 异常处理例程或者由于 #PF 异常直接或者间接导致 VM-exit

总结：

  1. 当 guest 使用 32 位分页模式时，guest 的内存访问操作需要 3 次 GPA 转换。CR3 寄存器内的 PDT 基址需要进行 GPA 转换，PDE 内的 PT 基址需要进行 GPA 转换，以及合成的 GPA 需要进行转换

  2. 当 guest 使用PAE分页模式时，guest 的内存访问操作同样需要 3 次 GPA 转换。PDPTE 寄存器内的 PDT 基址需要进行 GPA 转换， PDE 内的 PT 基址需要进行 GPA 转换，以及合成的 GPA 需要进行转换。

    在 PAE 分页模式下，guest 执行 MOV to CR3 指令更新 CR3 寄存器 (也包括更新 CRO 或 CR4 寄存器某些控制位) 引发对 PDPTE 的加载。因此，加载 PDPTE 表项时也会进行 GPA 的转换。

4. EPT paging-structure

​ 这个页表结构只能由 VMM 进行设置，将 GPA 转换为 HPA。guest 软件不知道它的存在，即 guest 软件不能设置 EPT paging-structure
​ 查询 IA32_VMX_EPT_VPID_CAP 寄存器的 bit 6 来确定是否支持 4 级页表结构，为 1 时指示 EPT 支持 4 级页表结构。每个 EPT 页表大小为 4K，每个 EPT 页表项为 64 位宽

  1. EPT PML4T (EPT Page Map Level-4 Table) ，表项为 EPT PML4E。
  2. EPT PDPT (EPT Page Directory Pointer Table)，表项为 EPT PDPTE。
  3. EPT PDT (EPT Page Directory Table) ，表项为 EPT PDE。
  4. EPT PT (EPT Page Table) ，表项为 EPT PTE。

EPT支持三种页面：

  1. lG页面，IA32_VMX_EPT_VPID_CAP[17] = 1 时处理器支持 1G 页面。PDPTE 的 bit7 允许置 1 使用 1G 页面
  2. 2M页面，当IA32_VMX_EPT_VPID_CAP[16] = 1时处理器支持 2M 页面，PDE 的 bit7 允许置 1 使用 2M 页面
  3. 4K页面，PDPTE[7] = PDE[7] = 0时使用 4K 页面，PTE 提供 4K 物理页面地址

5. EPTP(Extended Page Table Pointer 扩展页表指针)

​ 提供 EPT 页表结构顶层的 PML4T 物理地址，即 EPT4TA （EPTP[N-1:12]），这个物理地址属于 HPA

  1. bit 2:0：设置 EPT paging structure 使用的内存类型，UC(uncacheable:0)；WB(writeback:6)；EPTP 所支持内存类型可从IA32_VMX_EPT_VPID_CAP 寄存器 bit 8与bit 14查询
  2. bit 5:3：设置 EPT 页表的 walk 长度，即访问 EPT 页表的级数，必须为 3（表示要经过 4 级页表的 walk），EPT 支持 4 级 EPT 页表可从 IA32_VMX_EPT_VPID_CAP 寄存器 bit 6 查询
  3. bit 6：EPT 页表项的 dirty 与 accessed 标志开启位，当 IA32_VMX_EPT_VPID_CAP[21]=1 时，处理器支持 EPT 的 dirty 与 accessed标志位，当 EPTP[6] =1 时将启用 EPT 的 dirty及 accessed 位，EPT 页表项的 bit 8与bit 9 被视为 accessed 与 dirty 标志位
  4. bits N-1:12：PML4T 的物理地址 (host-physical address) 值。如，当 MAXPHYADDR = 36 时，EPTP 的 bits 35:12 是 PML4T 地址值, bits 63:36 是保留位。

6. 4K页面下的EPT页表结构

4K 页面下，GPA 分为：

  1. PML4E index (bits 47:39) ，用于在 PML4T 中索引查找 PML4E
  2. PDPTE index (bits 38:30)，用于在 PDPT 中索引查找 PDPTE
  3. PDE index (bits 29:21) ，这个 index 值用于在 PDT 中索引查找 PDE
  4. PTE index (bits 20:12) ，这个 index 值用于在 PT 中索引查找 PTE
  5. Offset(bits11:0)，这个 offset 值用于在 4K 页面中定位最终的物理地址

GPA 转换到 HPA 需要经过 4 级 EPT 页表结构 (walk 次数为 4)

GPA->HPA 的查表转换过程：

  1. 在 PML4T base + PML4E index * 8 中找到 PML4E。PML4E 的 bits N-1:12 提供下一级 PDPT 基址的 bitsN-l:12 位，低 12 位补为 0值
  2. 在 PDPT base + PDPTE index * 8中找到 PDPTE。PDPTE 的 bits N-1:12 提供下一级 PDT 基址的 bitsN-1:12 位，低 12 位补为 0 值
  3. 在 PDTbase + PDEindex * 8 中找到 PDE。PDE 的 bitsN-1:12 提供下一级PT基址的 bitsN-1:12 位，低 12 位补为 0 值
  4. 在 PTbase + PTEindex * 8 中找到 PTE。PTE 的 bitsN-1:12 提供 4K 页面的 bitsN-1:12 位，低 12 位补为 0 值
  5. 这个 4K 页面基址加上 GPA 的 offset 值 (bits 11:0) 得到最终的 HPA 值，完成 GPA 的转换

7. 参考

  • 《x86_x64体系探索及编程(邓志)》
  • 《处理器虚拟化技术(邓志)》

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