虚拟技术理论的研究

术语

host：物理主机，你的实体个人电脑
guest：虚拟主机
指令：指令集合，CPU 可以执行最小单位
二进制翻译：是将 **一个指令集架构（ISA）** 中的指令实时转换为 **另一种指令集架构** 中对应的指令，以便在不同处理器核心上执行。（分静态和动态（DBT）2种）
DBT（Dynamic Instruction Translation）: 在运行时按需翻译，边执行边翻译（更常见、更灵活）
静态二进制翻译（SBT）：在程序运行之前一次性完成全部翻译（如曾经的 Alpha FX!32）
指令模拟：一个指令集架构中的指令用高级语言实现，不用管用什么高级语言
VM Exit:一种由硬件自动完成的状态切换事件（Guest → Hypervisor）
VM Entry:一种由具体指令触发的状态切换操作（Hypervisor → Guest）
Hypervisor：一般是驱动实现 监听异常，用来捕获特权指令（ring 0）,只有ring 0 一些特殊异常才能捕获到，ring3 无法捕获

虚拟技术种类

1. 指令模拟、每个指令都在host 等同多个条指令执行（模拟实现），如果guest 与 host 相同CPU 指令集的话，指令会碰撞好几倍到10倍的样子，所以一般这种实现的虚拟机性能是原来的1/10
2. 动态翻译成host 指令集合，这种集合指令翻译+动态生成指令，游戏指令无法动态执行就通过翻译执行，所以这是第一种进步，这种就看动态生成指令效率有多少，因为直接执行等于host cpu的能力，这种无需内核层支持，这种只有少部分指令才能生成
3. 大量指令生成+少量的翻译实现，这个第二种进步，这种只有稍微特权的指令才需要翻译（模拟）实现（VT-X ，硬件虚拟化），这种intel 支持虚拟指令支持，这样子大部分指令都可以在host 直接跑，只有少部分指令需要 vmx

指令模拟

这块我目前开发nes 模拟器，基本大部分核心开发完了，所以这块技术我比较熟悉，同时重点介绍这个。

代码

比喻我实现nes cpu 模拟

    m_register.PC++;
    m_last_cpu = m_register.PC;

    switch (OPCODE) {
    case 0x69:
        R_MEM_IMM();
        ADC(bData);
        cycle = 2;
        break;
    case 0x65:
        R_MEM_MODE_ZERO_PAGE();
        ADC(bData);
        cycle = 3;
        break;
    case 0x75:
        R_MEM_MODE_ZERO_X_PAGE();
        ADC(bData);
        cycle = 4;
        break;

ADC 指令

    inline  void    ADC(BYTE data) {
        WORD result = REG_A + data + (REG_P & P_C_FLAG);
        setCarrayFlag(result);
        setZeroFlag((BYTE)result);
        setOverflowFlag((BYTE)result, data);
        setNegativeFlag((BYTE)result);
        REG_A = (BYTE)result;   //最后赋值
    }

作用：A = A + memory + C ， A寄存器 + 添加内存数据+进位标志数字，本质就是一个加法，只是增加进位，同时修改各种标志位

ADC 一条指令要多条C语言模拟（后续会编译成当前机器的指令），那么编译指令就会更多，ADC 只CPU 自身执行，我们用别的语言模拟，那么一定会产生更多指令，所以为什么这种模拟性能只有1/10 左右原因，因为指令膨胀很多了。

内存地址

nes 内存地址访问

因为nes 内存没有分段也没有分片，直接裸写物理地址，我直接new 一个比64KB 就可以了，因为nes的内存寻址空间是16位就是64kb，如果内存地址寻址，那就很简单了，因为我们直接拿到物理地址，这个物理地址可以当成host的偏移，比喻我们new 内存地址 0x12345678（假设），假设访问代码访问是物理地址0x100，那么我们访问直接可以 ptr + 0x100 得到host 指针（这个就是windows的虚拟地址），然后我们直接访问就可以了

BYTE* mem_ptr = new BYTE[1024*64];

//假设物理地址：0x100
BYTE data = mem_ptr[0x100];
//这个得到对应的值

x86-64 指令内存地址访问(模拟)

这个因为引入分段（8086 引入）、后面引入分页（80386），所以我们要按照这些规则实现，因为这些用虚拟地址，不是真正地址，CPU 默认进行计算得到物理地址，得到对应值，如果我们就要模拟这些内存规则，得到物理地址后，我们再按照上面逻辑进行进行

dos 下面（因为window 95后基本废弃分段）
只是分段机制

1. cs<< 4 + ip 得到当前指向的物理地址 （cs:ip 组合得到当前执行党的指令的地址）
2. 得到指令 MOV AX, [1234H] （这里假设设置）
3. 这里1234h 要加上当前段地址 ds<<4 + 1234h 得到真正物理地址，这样子去取这个地址就可以得到真正的数据了

   MOV AX, [1234H]

这里假设：
cs：1000h (代码段)
ds：2000h(数据段)
IP：100H（指令指针寄存器，指向当前指令）

当前指令计算：1000h << 4 + 100h = 10100h cpu，这里要得到指令就是前面 mov AX，[1234h]

访问1234h内存计算：因为它是访问是数据段： 2000h << 4 +1234h = 21234H
最终CPU 会在取2个字节给AX 寄存器。

为什么要分段

1. 因为8086 寻址空间 20位，但寄存器只有16位，无法寻址到20位，所以引入cs ds ds es

分页机制
这个后面考虑，这个cpu 技术实现不一样，这块实现不一样，根据资料总结，通过指令模拟，无需内核，直接应用层就可以跑，其他的实现方式就不一样了，实现的方法就不一样了

设备模拟

1. 显示设备模拟，这个cpu模拟后这个比较重要，通过cpu io指令模拟实现，从而对应的功能
2. 鼠标和键盘模拟
3. 声音设备模拟

基本都是通过IO 读写模拟，写时候把对应数据写到合适地方，读时候给出对应数据就能够模拟了，要怎么保证读取对应数据就是要考虑写时候合理解析了，比喻nes 模拟ppu(显示设备)

nes ppu 模拟 推理pc显示设备模拟

ppu 按照时钟 慢慢一行行处理显示数据，给显示缓存写数据，写满一帧数据，反复按照这个写数据，然后按照硬件逻辑显示数据

我最开始模拟PPU用最简单的方案，我不按照时钟，直接按照 60fps 读取背景和精灵数据然后直接显示出来，不管PPU 时钟，那么去掉很多逻辑，但也能跑起来一些游戏，但有的游戏就不行或者显示错乱，因为游戏严格按照时钟，游戏中间可能有变化，而我直接过滤掉了，直接最后一步导致很多逻辑没有了，导致异常。

那么模拟设备需要了解它规则，当指令模拟写完后，基本模拟设备就要找资料看设备规则有哪些，哪些是重要的，我ppu 花了很多精力上面因为好的地方没有注意，导致碰撞不准或者不触发，这个跟技术没有关系，这个跟你了解硬件的特性有关，这块算是苦力活了

讨论

1. 指令模拟，本质也是二进制翻译（只是高级语言逻辑转换而已），如果用c/c++ 最终编译会成到对应机器码，本质一条指令转换多条指令了
2. 为了减少指令，使用动态二进制翻译，一条指令转换对应指令（也可能多条），如果目标指令没有对应合适指令，那么可能要多条指令了，极端情况会退化成指令模拟
3. 为了提高效率，使用静态二进制翻译，这样子不用每次翻译，直接跑指令，只有特殊指令才动态二进制翻译（这个跟AI讨论，这个动态翻译同时发展，但用的比较少）
4. 为了提高效率，使用系统提供虚拟指令，直接不用翻译 通过硬件辅助虚拟化 或 半虚拟化，它们最终都是让客户机（虚拟机中的系统）直接跑在 CPU 上，从而完全消除了“翻译”环节。（同架构，指令集支持一样）

纯软件模拟（解释）→ 动态翻译（DBT，加速）→ 静态翻译（AOT，更快）→ 硬件直接运行 + 必要陷入（硬件辅助）
(每条指令模拟) (基本块翻译+fallback) (提前翻译+动态补齐) (无需翻译, 特殊指令捕获)

静态翻译不是主流原因

因为很多指令无法确认到底执行哪里，比喻jmp rsi，这个只有执行时候才能确认，分支很多，无法确定哪些代码能够执行

软件代表

指令模拟：bochs
动态翻译+指令模拟：86box， virtualbox(老版本，没有硬件虚拟化) ,VMware Workstation（老版本，没有硬件虚拟化）
硬件虚拟化：比较新的版本 virtualbox VMware Workstation

这些只是测试或者使用过的软件，还有很多其他软件，因为我没有用过所以不会列出来

应用层和内核

虚拟机实现可以单纯在应用层也可以 应用层加驱动实现，原因是 x86_64 指令集 不同指令要有不同权限，所以引入ring机制， x86指令集中的特权级别控制当前在处理器上运行的程序对内存区域、I/O 端口和特殊指令等资源的访问

ring0 权限最高 ring3 权限最低， 一些特殊指令只能在ring 0 ，如果在应用层（ring 3 ，非驱动程序一般都是在这一层）

驱动的工作：驱动承担了 CPU 调度、内存虚拟化、中断注入、设备 I/O 模拟等关键任务，这些任务都必须在 ring 0 完成。

虚拟机怎么处理特殊指令呢？

ring 0 实现

1. 如果技术实现二进制翻译，检测到特权指令，直接模拟指令实现
2. 硬件虚拟化，直接捕获异常即可

Guest (Non-root) ──[特权指令]──► VM Exit ──► Hypervisor (Root)
                                              │
                                              ▼
Guest (Non-root) ◄── VM Entry ◄── 处理完成 ◄──┘

gp捕获

这个捕获必须在ring 0，那么必须实现驱动，从而 trap and emulate

IDT :中断描述表，每项是对应的函数，默认情况下

trap → 通过 IDT 转发给 VMM → 解码指令 → 模拟执行/翻译

虚拟化的区别

1. 全虚拟化，guest 不知道自己在虚拟机里面，所有代码直接执行
2. 半虚拟化，需改gutest os的特权代码，避免二进制翻译（这样子不用二进制翻译），只能支持开源代码，这样子需要重新编译开发自己的代码进行，所以linux 是可以走这个技术，而windows 系统是无法使用该技术

怎么进入guest os的指令

这里讨论二进制翻译指令

// 伪代码：翻译缓存中的代码块
typedef void (*TranslatedBlockFunc)(void);

// 执行翻译后的代码块
TranslatedBlockFunc tb_func = (TranslatedBlockFunc)tb_host_address;
tb_func();  // 直接调用，CPU 开始执行 Host 机器码

FlushInstructionCache：刷新指令缓存，但细节我暂时没有理解

guest 与 host 指令集一样

如果一样，可以直接跑指令，但特权指令肯定不能调用，所以这里还是必须二进制指令翻译，主要编译成代码块，用于缓存，这样子不用每次翻译，增加速度，特权指令不用翻译，直接跑，因为可以抛出异常给 Hypervisor 处理，但一些临界指令，它不会抛出错误，但权限不够不能执行，这样子导致无法捕获，那么就特殊处理，只能二进制翻译

todo

后续可能修改文章和补充文章
我没有完全虚拟机开发经验，只是为了技术研究，跟AI讨论，总结分析得出一些所谓的心得

资料

这个文章不错
https://blog.csdn.net/fearhacker/article/details/152839626