KVM 基本原理與架構 (二)：核心運作機制

KVM (Kernel-based Virtual Machine) 是 Linux 核心內建的開源虛擬化方案，自 2.6.20 版併入主線。僅支援具備硬體虛擬化擴充 (Intel VT-x / AMD-V) 的 x86 平台，後擴展至 s390、IA64、PowerPC。KVM 本身僅提供 CPU 與記憶體虛擬化，完整平台虛擬化 (I/O、裝置模擬) 由經修改的 QEMU (qemu-kvm) 完成。

整體架構

• VMM (KVM 核心模組) 運行於 Root Mode Ring 0。
• 宿主機使用者空間進程 (如 QEMU) 運行於 Root Mode Ring 3。
• 客體機核心 運行於 Non-Root Mode Ring 0。
• 客體機使用者進程 運行於 Non-Root Mode Ring 3。
• 每個 VM 即一個標準 Linux 進程，運行於 QEMU 進程位址空間。
• KVM 向上提供 /dev/kvm 字元裝置介面，透過 ioctl 控制 (建立 VM、vCPU、執行 VM 等)。
• 為提升 I/O 效能，KVM 提供 Virtio 半虛擬化驅動 (類比 Xen PV 驅動)。

KVM 運作流程圖

1. QEMU-KVM (用戶態) 透過 ioctl(/dev/kvm) 建立 VM 與 vCPU。
2. KVM 核心模組初始化相關資料結構，返回用戶態。
3. QEMU-KVM 呼叫 ioctl(KVM_RUN) 排程 vCPU 執行。
4. 核心執行 VMLAUNCH，透過 VM-Entry 進入客體模式 (Non-Root Mode)。
5. 客體非敏感指令直接在實體 CPU 執行。
6. 遇敏感指令、外部中斷、內部異常觸發 VM-Exit，CPU 切回 Root Mode，相關資訊記錄於 VMCS。
7. VMM 讀取 VMCS 判斷 VM-Exit 原因。
8. 若為 I/O 或裝置指令，返回用戶態 QEMU-KVM (Root Mode Ring 3) 模擬處理。
9. 其他由 VMM 自行處理。
10. 處理完成後再次 VM-Entry 進入客體繼續執行。

核心模組組成

• kvm.ko：核心通用模組 (IOMMU、中斷控制、KVM arch、裝置管理等)。
• kvm-intel.ko / kvm-amd.ko：針對 Intel/AMD 平台的硬體特定模組。

可見 KVM 僅實作核心 CPU/記憶體/I/O 虛擬化，其餘平台模擬交由 QEMU-KVM 負責。