KVM 基本原理與架構 (一)：核心概念與術語

關鍵術語定義

• KVM：Kernel-based Virtual Machine，基於核心的虛擬機。
• VMM：Virtual Machine Monitor，虛擬機監控器。在 KVM 中即 KVM 核心模組。
• VM：Virtual Machine，虛擬機，即 Guest 機器。
• 全虛擬化：Guest OS 完全無需修改即可運行。實現方式分為軟體輔助 (二進制翻譯 + 權限壓縮) 與硬體輔助 (Intel VT-x / AMD-V)。
• 半虛擬化：Guest OS 需修改核心，將無法陷入的敏感指令替換為超級呼叫。

Intel VT-x 硬體虛擬化架構

VT-x 引入 VMX (Virtual Machine eXtension) 模式，包含兩種操作模式：

• Root Mode (VMX root operation)：VMM 運行於此模式。KVM 宿主機核心在 Ring 0，QEMU-KVM 等用戶態程式在 Ring 3。
• Non-Root Mode (VMX non-root operation)：Guest 運行於此模式。Guest 核心在 Ring 0，Guest 用戶態程式在 Ring 3。

兩模式各自擁有完整 Ring 0-3，硬體自動處理敏感指令截獲與模式切換。

VT-x 新增指令集

• VMLAUNCH / VMRESUME：發起 VM-Entry，進入客體執行。
• VMREAD / VMWRITE：讀寫 VMCS 設定虛擬機控制參數。

VM-Exit / VM-Entry

• VM-Exit：客體執行敏感指令觸發「陷入」，CPU 自動從 Non-Root Mode 切回 Root Mode，VMM 依 VMCS 資訊處理或模擬。
• VM-Entry：VMM 排程客體執行時發起，CPU 從 Root Mode 切入 Non-Root Mode。

VMCS (Virtual Machine Control Structure)

VT-x 引入的控制結構，用於儲存虛擬 CPU 狀態：

• Root/Non-Root Mode 下的暫存器值。
• VM-Exit 原因、資訊。
• 控制 CPU 行為的參數 (如例外位圖、I/O 位圖、MSR 儲存/載入清單等)。

CPU 在 VM-Exit/VM-Entry 時自動讀寫 VMCS，VMM 亦可透過 VMREAD/VMWRITE 配置。