TWI252427B - Control register access virtualization performance improvement in the virtual-machine architecture - Google Patents

Description

[1252427 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 概言之，本發明係關於虛擬機器，具體而言，本發明係 關於在虛擬機器結構内來訪者敕體存取暫存器之控制。 【先前技術】 一傳統虚擬機器監視器（VMM)通常在一電腦中執行並向 其他軟體呈現出一或多個虛擬機器之抽象概念。每一虛擬 機器皆可運作為一自含式平台，執行本身之「來訪者作業 系統」（即VMM所存放的作業系統）。該來訪者作業系統希 望其運作方式係如同在一專用電腦上執行，而非在一虛擬 機器上執行。換言之，該來訪者作業系統希望控制各種電 腦作業並可在該等作業期間具有硬體資源存取權。該等硬 體資源可包括處理器駐存型資源（例如控制暫存器）及駐存 於記憶體内之資源（例如描述符表）。 - 在一虚擬機器環境中，VMM應能夠具有該等資源的最終 控制權，以提供虛擬機器之正常作業並提供對虛擬機器之 防護及虛擬機器間之防護。為達成該控制，VMM通常欄截 並仲裁來訪者軟體對硬體資源之所有存取。具體而言，當 來訪者軟體要求一需要存取一受保護硬體資源之作業時， 此一作業之控制權被移轉至VMM，由VMM確保該存取之合 法性，模擬來訪者軟體所需之功能性，並將控制權移轉回 來訪者軟體，藉此保護硬體資源並虛擬化來訪者軟體對硬 體資源之存取。由於需受到保護以免遭來訪者軟體存取之 硬體資源元件數量巨大且該等存取會頻繁發生，因此，具 1252427 有與此類保護及虚擬化相關的大幅效能成本。 來訪者軟體頻繁存取之一硬體資源之實例為控制暫存 器。舉例而言，在Intel Pentium IV微處理器晶片之指令集 結構（ISA)(本文稱之為IA_32 ISA)中，存在多個控制暫存 器，其用於組態處理器之作業模式、控制記憶體子系統組 態及硬體資源等。通常，當來訪者軟體試圖存取一控制暫 存器中的一位元時，會將控制權移轉至VMM，由VMM負貴 保持該來訪者軟體針對該位元所起始的窝入與讀取作業凋 之致择。換s之，VM1V[控制兩個值，一值係用於允許來 訪者軟體寫人至控制暫存器每—位元，另_值係用於允許 來訪者軟體讀取每一位元。此種控制暫存器存取之虛擬化 會形成顯著的效態負擔。 【發明内容】 在一具體實施例中，自來訪者軟體接收到一與一暫存器 之-或多個部分相關之命令。進—步，依據―對應於該暫 存器之所要求部分之遮罩欄位内的指示项，決賴來訪者 軟體是否可存取該暫存器中的全部所要求部分。若該來訪 者軟體可存取該暫存器中的全部所要求部分，該 器中所要求部分執行自該來訪者軟體接收到之命令。 【實施方式】 本文係說明-種用以在虛擬機器結構中控制來訪 者軟體存取暫存器之方法及裝置。為解釋起見，下述 說明_陳述了大量具體細節’以便達成對本發明之透 徹瞭解。然而，凡熟諳此技藝者應可理解 明之 1252427 實施亦可不使用該等具體細節。 =某些詳細說明部分係就在一電 仔為或圮憶體内對資料位元之作— r^ 不法而言來呈現。該等演算說 唬 料處理技蔹之人士所用之方土 + 不法係熟習資 仅右之人士所用之方法，藉由該方法可田士 向熟習該技藝之其他人士傳達其工作之實取效 將—演算法一般性地表示為一可達成吾人員、兩级文 之自行-致之作業序列。該等 ^，果 之實際赛縱的作業。通常…„要實際量 形式為電子信該等量的 合、比較及葬…能夠儲存、傳送、組 "八方式加以操縱。經證實且主要出 於吊用之原因，該等作狀 文35 元素、符號、字元;也稱作位元、值、 然而，吾人應切纪，所右或類似之術語。 與適當之實際量相ΙΊ日該杨語或類似之術語-皆 . f且僅為該等實際量之方便性;I：® 记。除非下文中另有 々使f生铋 在本發明之整個說明中確之具體說明，吾人應瞭解： 或「計算」、d 使用「處理」、或「運算」、 腦系統或類似之電子\」Μ或類似術語之論述可指一電 電腦系統或類裝置之動作及處理程序，該 器及記憶體内表示為：運算裝置將電腦系統之暫存 換為電腦系統記憶二際（電子）量之資料操縱並轉 存、傳輸或顯示暫存15或其他該等資訊儲 料。 内同樣表示為實際量之其他資 1252427 下文中將參照附圖對具體實施例予以詳細說明，該 等附圖係以圖解之形式展示可實施本發明之具體實 施例。在附圖中，類似之編號皆代表各附圖中基本相 似之元件。該等具體實施例之說明極其詳細，藉以使 熟諳此技藝者能夠實施本發明。熟諳此技藝者亦可利 用其他具體實施例並可在不背離本發明範疇之前提 下做結構、邏輯及電氣方面之修改。此外，應瞭解， 儘管本發明之各種具體實施例互不相同，但未必相互 排斥。舉例而言，一個具體實施例中所描述的一具體 特點、結構或特性亦可包含於其他具體實施例中。因 此’下文之詳細說明不應視為具有限定性意義，本發 明之範疇僅由後附之要求專利範圍及歸屬於該等要 求專利範圍之等效方法與裝置之全部範疇界定。 圖1展不可執行本發明之一虛擬機器環境1〇〇具體 貝知例。在該具體實施例中，裸平台硬體丨丨6包含一 汁异平台，其能夠，舉例而言，執行一標準作業系統 (〇S)或虛擬機器監視器（VMM)，例如一 VMM 112。 t f VMM 11 2通常係在軟體中執行，但其可模擬一裸 機為η面並匯出至更高階軟體。該更高階軟體可包含 心準0S或即時〇s ’可為—具有有限作業系統功能 性之非常簡陋之作業環境，可不包含傳統之0S設施 等或者，舉例而言，VMM 112可在另一 VMM之内 或之上執仃。VMM及其典型特點及功能性已為熟諸 此技藝之人士所熟知，舉例而言，其可在軟體、韌體 丄252427 中執行或藉由不同祜 J之技術組合加以執行。 如千〇硬體116包含—處理器u 态可為能夠執杆私駚 。己巴體12〇。處理 執仃軟體之任一類形声 口口 微處理器、數竹俨％ + 、 处里态，例如一 器。處理器U8可包含用㈣ 制盗或類似之處理 的微程义石…“色 行本發明之方法實施例 平台硬體116可為一 上型裝置、攜帶型電腦 之計算多統。 戗私式碼或硬編碼程式邏輯。 们人％月旬（PC)、大型主機、掌 視讯轉換器或任一其他類型 任己憶體120可為一硬碟、軟碟 _ >、 釈蜾隨機存取記憶體（RAM)、 μ己隐⑲（ROM)、快閃|己憶體或可由處理器工！ 8讀取之任 、其他類型m媒體。記憶體12()可儲存用於執行本發明 之方法實施例的指令。 夕VMM 112向其他軟體（即「來訪者」軟體）呈現一或 多個虛擬機器（VM)之抽象概念，該等虛擬機器可向 各來訪者提供相同或不同之抽象概念。圖丨展示兩個 VM 102及114。執行於每一 VM上之來訪者軟體可包 含一來訪者OS(例如來訪者〇s 1〇4或1〇6)及各種來訪 者應用軟體108至110。來訪者〇s 1〇4及106皆希望控 制對正在執行來訪者OS 104或106之VM 102及114内 的實體資源（例如，處理器暫存器、記憶體及記憶體 映射輸出入裝置）之存取權並執行其他功能。 VMM 112可促進來訪者軟體所需之功能性，且同時 保持對平台硬體116内之特權硬體資源的最終控制。 1252427 目—gjjj. 將對：二當來訪者軟體試圖存取-特權·資源時，會 =理器之控制權轉移至vmmu2，接著由侧 軟體7:否執行一所要求之作業(例如，為該來訪者 或拒要未作業，直接代理平台硬體116之作業） 機制源之存取以便保證安全性、可靠性或其他 進來訪者軟體之功能性之行動可包含在侧 的各種活動。vmmu2之活動&其特徵不 μ限疋本發明之範疇。 在'具體實施例中，從來訪者軟體至VMM之控制 權轉移係、* -虛擬機器㈣結構（v M c s) i 2 2中之” ::設定值所控制。VMCS122中之設定值可防止：訪 ,軟體執行可能導致其存取某些特權硬體資源之作 業仏官圖1中僅展示一個該類VMCS，但不同之來訪 者^體可採用不同VMCS記憶體影像中之不同控制位 兀"又疋值來執行。VMCS m駐存於記憶體中並由 處理器118維護。應注意’亦可使用任一其他資料炷 構（例如，晶片上快取記憶體、檔案、查詢表等）儲^ VMCS 122或與各指定硬體資源相關之攔位，且不失盆 通用性。 當來訪者軟體試圖執行一存取受保護資源之作業 時’則會將控制權轉移至VMM 112。VMM 112可存取 王。P平台硬體116。當此一轉移發生時，VMM丨12即接 受對來訪者軟體所起始之作業的控制權。VMM112隨 後可如上所述執行該作業或拒絕存取，並可藉由執= -11 - 1252427 一特殊指令將控制移轉回來訪者軟體。藉由此項機制 達成之來訪者軟體控制在本文中稱作νΜχ作業，從來 訪者軟體至VMM之控制權轉移在本文中稱作— 結束。 在一具體實施例中，某些指令之執行、某些例外狀 況和中斷及某些平台事件皆可引發—vm結束。該等 VM結束之潛在原因在本文中稱作虛擬化事件。舉例 而言，當來訪者軟體試圖執行一可能使其存取某些特 權硬體資源（例如一控制暫存器或一 1〇埠）之作業（例 如一指令）時，即可能產生一 VM結束。 在一具體實施例中，當一 VM結束發生時，會儲存 來訪者軟體所使用之處理器狀態組成，並且載入vmm 112所需之處理器狀態組成。視處理器Ι§Α而定，此種 處理器狀恶之儲存及載入可具有改變使用中之位址 空間的效應（例如在IA_32 ISA中，使用中之位址空間 係由控制暫存器中之值所決確定，其可在出現VM結 束時被儲存及還原）。在一具體實施例中，來訪者軟 體所用之處理器狀態組成儲存於VMCS 122的一來訪 者狀恶區域中，VMM丨12所需之處理器狀態組成則儲 存於VMCS 122的一監視器狀態區域中。 在一具體實施例中，當發生一從VMM轉移至來訪 者軟體時’出現VM結束時所儲存的處理器狀態被還 原’且控制權傳回至來訪者0S 104或106、或來訪者 應用軟體108或11〇。 -12- 1252427 在一具體實施例中，當出現一 VM結束時，會在 v M C S 12 2中所描述之一特定進入點（例如一指令=標 值）處將控制權移轉至VMM Η2。在另一具體實:: 中，在經由一重定向結構（例如，IA_32 ISA内之中斷 描述符表）導引之後將控制權移轉至VM 112。或者， 吾人亦可使用該技藝領域中已知之任一其他機制將 控制權從來訪者軟體移轉至VMM 112。 —由於需要受到保護以免遭來訪者軟體存取之硬體 資源元件數量巨大且該等存取會頻繁發生，因此，具 有與此類保護及虛擬化相關的大幅效能成本。此外/ '， 來訪者軟體所起始之作業會涉及一特權資源之存 取，該存取可不引發安全及VM 102及114適當運作方 面之問題。舉例而言，在ia_S2 ISA中，控制暫存器〇 (CRO)包括一工作切換（TS)位元，其用於藉由在存取 浮點狀態之前避免儲存及還原浮點狀態來最佳化内 容切換。來訪者0S藉由清除工作切換旗標…以㈨指 令達成之ts位元更新可不引發系統安全性及vm 1〇2 及114適當運作方面之問題。反之，由於cr〇之分頁 啟用（PG)位元負責組態處理器之作業模式，因此必 須由VMMH2以獨佔方式來控制該位元。在某些狀況 下’ VMM 112可不允許來訪者軟體停用分頁，因此其 必須控制來訪者軟體停用分頁之嘗試。 在-具體實施例中’提供一 _選機制，藉以減小因 來訪者軟體如存取暫存器之類的硬體資源(例如，控 -13- 1252427 制暫存器、通用暫存器、模型專用暫存器等 體架構型資源(例如記憶體中之分頁控制攔：記憶 引發的VM結束次數。吾人應注意，儘管下文中泉所 一暫存器對本發明之一具體實施例予以說明，但:照 毛明之内容亦可適用於任一其他硬體資源， = 通用性。 +失其 篩選機制使用與每一指定硬體資源相關之— 個攔位而發揮功效，下文中將對此予以更詳細之二 :°在了具體實施例中，與每—指定硬體資源相關: 欄位都包含於一 VMCS 122中。 圖2為處理程序2〇〇 一 理寇例之流程圖，該處 ^序用^選來訪者軟體對—硬體資源（例如一暫 子為之存取。該處理程序可藉由處理邏輯執

St含硬體(例如電路 '專用邏輯、心 勃人-例如在-般用途電腦系統或一專用機器上 執1丁之軟體）亦或包含兩者之組合。 二見圖2處理程序2⑻以用於從來訪者軟體接收一 命^處理邏輯開始（處理步驟2〇2)，該命令與一暫 :”或夕個部分相關。-個暫存器部分可為該暫 存裔之一特定罝一# 一 > 1 扫 非鄰接恤元。關於:等暫/暫存器之多個（鄰接或 取指令(要求自：等暫/存器部分之命令可為-讀 ^(2求將-貝料寫入至些該等暫存器部分）。該暫 α 控制暫存器（例如ΙΑ·32 ISA内之CRO或 1252427 CR4)'—整數暫存器或任一 i 型之資源。 八他暫存益或記憶體架構 隨後，處理邏Μ白 、ώ Ρ , (處理步驟2二;位讀取對應之指示項 該等部分的 '组指;^ 相對於該暫存器之 ^ ^ ^ ^ 頁舉例而吕，若暫存器為一32 位几控制暫存器（例如Ia_32isa内之⑽或⑽），列 :遮罩攔位可包含32個指示項，其中每一指 對 應於控制暫存器中之一 、、 所具有的指示項可少於或者’該遮罩攔位 因在於:暫存器可:有来:：”位元之數量，其原 ^ ^ 5 /、有未使用之位疋，遮罩欄位内之 項可對應於兩或多個 因。遮罩欄位内每—指示項皆可提供關於某—部分= 又來斿者控制(即允許來訪者軟體存取暫存器之對庫 部分）或係受控制之資訊。在本發明之-具= =中’假定暫存器内無對應遮罩位元之位元處於來 =盆t制之下。在本發明之另一具體實施例中，則假 定其處於VMM控制之下。 在決定步驟206中，處理邏輯依據遮罩攔位内之對 應指不項來決定是否允許來訪者軟體存取該暫存琴 t的全部所要求部分。若決定結果為「是」，處理邏 輯=對所要求暫存&部分執行命令（處理步驟2〇8)。 換言之’處理邏輯自該暫存器中所要求部分讀取資料 或向其寫入資料。 ' 否則，若決定步驟206之決定結果為「否」，則在一 -15- 1252427 具體實施例中，處理邏輯將控制權移轉至vmm (處理 步驟210)。 在替代具體實施例中，使用一額外欄位進一步減 小將控制權移轉至VMM之次數。該額外欄位在本文 中稱作陰影值欄位。該陰影值攔位之每一部分皆對應 於暫存器之一特定部分，並儲存有來訪者 該暫存器部分t看到之值。在本發明之—具體;施= 陰办值攔位之值係由VMM維護且儲存於vmc S 中。在了具體實施例中，僅其遮罩欄位中之指示項指 示來訪者軟體不能存取該等暫存器部分的暫存器部 分才在陰影值攔位中具有對應之部分。舉例而言，在 A 32 ISA中，若遮罩攔位内指示項之值指示不允許來 纺者軟體存取CR0中之位元丨至⑺，則陰影值攔位之 大小將僅限於相對應於CR0之位元！至1〇的1〇個位 兀。在另一具體實施例中，在遮罩攔位中具有一指示 項（無論其取值如何）之每個暫存器部分皆在陰影值 攔位中具有一對應部分。 圖4為處理程序4〇〇之一具體實施例之流程圖，該處理程 :提供來訪者軟體對-硬體資源(例如-暫存器)之存取的 、.篩選在一具體貫施例中，處理程序400取代了圖2 所不之塊210。該處理程序可由處理邏輯執行，處理邏輯可 包含硬體（例如電路、專用邏輯、微程式碼等）、軟體（例如 在—通用電腦系統或-專用機器上執行之軟體）亦或包含 兩者之組合。 1252427 多 S 處理程序4 0 0開始於處理步驟4 〇 2，# =先依據-遮罩搁位内對應之一或多個指= λ 、&正在所存取之一或多個暫存器部分是否處於 VMM控制之下（如同上文結合圖2之說明）。 、 炚後，在決定步驟4〇3内，處理邏輯決定該存取η 2為#將貧料寫入至該暫存器中所要求部分之命 ▽右决疋結果為「是」（即該存取為一寫入命令）， 貝J處理邏輯決定：針對在VMM控制下之所有部分， 來=者希望寫入至每一部分的資料是否等於儲存於 :讀取陰影攔位之對應部分的資料（決定步驟4〇4)。、 f f決定對於所有VMM控制下之受到要求部分皆為 「是」，則允許來訪者將資料寫入至所有處於來訪者 控制下之實際暫存器資源部分（由遮罩攔位中之對應 位兀確疋）（處理步驟4〇5)，至此，處理程序*⑻绪束。 若該決定對於處於VMM控制下之任何要求部分為 「否」，則處理邏輯將控制權移轉至VMM (處理步驟 4〇6)。此後，VMM根據其執行要求之需要更新陰影值 欄位之對應部分及實際暫存器資源，並將控制權移轉 回來訪者軟體。 或者若來#者軟體所起始之命令係一自該暫存器中所 要求邵分讀取資料之命令，則不會將控制權移轉至VMM。 具體而s，處理邏輯針對所有處於VMM控制下之所要求部 刀來存取陰影值欄位内之對應部分（處理步騾412)，並將儲 存於陰影值欄位該等部分中之資料與來自實際暫存器資源 -17· 1252427 中處於來訪者控制下之資源部分之值一同傳回至來訪者軟 體（處理步驟414)。 下文將對一具體實施例予以更詳細之說明，在該具體實 施例中經由上文中已參照圖1予以詳述的VMX作業來支搓 將控制權移轉至VMM。 在一具體實施例中，VMM維護一組控制位元，用 以組態哪些虛擬化事件將引發一 VM結束。該組控制 位元在本文中稱作重定向映射。在一具體實施例中-， 該重疋向映射包含於圖1所示VMCS 122中。當偵測到 發生一虛擬化事件時，將即刻查詢重定向映射，以尋 找一與該虛擬化事件相關之無條件結束位元。該位元 可指示該虛擬化事件是否無條件地引發一 VM結束。 2例而言，對於每一控制暫存器，重定向映射皆可包 含兩個位元，其中一個位元在來訪者要求讀取控制暫 存器内之資料時控制VM結束，另一個位元則在來訪 者要求將資料寫入至控制暫存器時控制VM結束。 此外，在一具體實施例中，對於每一指定資源（例如 1=21认令之CR0或CR4)，重定向映射皆包括一用於 私不一遮罩攔位是否用於該資源之位元，及一用於指 不一陰影值攔位是否用於該資源之位元。 、圖5為處理程序之—具體實施例之流程圖，該處理程 使用重疋向映射以在VMX作業期間來控制硬體資源 例如-暫存器）之存取。該處理程序可由處理邏輯執行，處 哩邏輯可包含硬體（例如電路、專用邏輯、微程式碼等）、軟 -18- 1252427 體（例如在一通用電腦系統或一專用機器上執行之軟體）亦 或包含兩者之組合。 參見圖5，處理程序5〇〇開始於處理步騾5〇2，處理邏輯首 先識別是否因來訪者軟體要求存取硬體資源之一部分（例 如一控制暫存器）而引發一虛擬化事件發生。該要求或為一 自一特定暫存器之一或多個部分讀取資料之命令，或為一 將資料窝入至一特定暫存器之一或多個部分之命令。 在處理步驟504，處理邏輯將查詢重定向映射，以 決定是—否已設定與該虛擬化事件相關之無條件結束 位儿（決定步驟506)。若已設定該位元，處理邏輯將 觸發一 VM結束（處理步驟522)。舉例而言，在ia_32isa 中，重定向映射可包括若干位元，其可在寫入至 CR2、項取CR0、寫入至CR4等時無條件引發謂結束。 或者，若未設定該無條件結束位元，處理邏輯將進 一步決定是否一遮罩攔位將用於該暫存器（決定步驟 5〇8)。該決定係使用重定向映射中—指定位元做出。 舉例而言’加2 ISA中’重定向映射中可存在指示 下列事項之位元：是否有一遮罩用於cr〇，是否一 罩用於CR4 ’等等。若遮罩攔位不用於該暫存器，處 理邏輯將對所要求暫存器部分執行所要求之讀取或 寫入命，(處理步驟514)。反之，處理邏輯將讀取與 該暫存15中所要求部分對應之遮罩攔位位元（處理步 驟51〇)。該等位元稱作所要求之遮罩攔位位元。檢杳 所要求之遮罩攔位位元以決定是否已設定該等位； -19- 1252427 中的或多個位元（指示對應暫存器部分中有一少 個部份處於VMM控制之下;決定步驟512)。思夕 右所要求之遮罩攔位位元都未被設定（即允許 者軟體存取該暫存器中的全部所要求部分），列處理 邏輯將對該等暫存H部分執行所要求之讀取或寫入 =(處理步驟514)。否則，若已設定所要求遮罩攔 位中=元，處理邏輯將依據重定向映射中—指定位 兀決定是否將-陰影值攔位用於暫存器(決定曰：驟 幻6)。舉例而言，在 ^疋/驟 重疋向映射令可存 兀，以指示一陰影值是否用於CRO存取 '用 於CR4。存取等等。若陰影值攔位將不用於暫存器，产 理邏輯觸發一 VM結束（處理步驟522)。 ==攔，擬用於暫存器且由來訪者軟體所起 二：讀取命令(決定步驟517)，則處理邏輯 項取對應於該等暫存器部分之陰影值攔位位元（盆在 所要求之遮罩攔位中已設定該等部份且因此處於 ΓΓ控Γ之下）（處理步驟518)。來自陰影值搁位之該 疋與來自實際暫存器之位元(其對應於所要求之 遮罩攔位中未設定且因此處於來訪者控制之下：： 疋）組合在—起。此後’將該等組合值傳回至來訪者 =古：自暫存器讀取在遮罩欄位及/或陰影值攔位 示之受保護資源中之位元值。 欄位擬用於暫存器但來訪者軟體所起始 乂為一寫入命令，則處理邏輯會比較要求寫入至 -20- 1252427 處於VMM控制下之暫存器位元之值與陰影值欄位中 對應位元之值（決定步驟520)。若上述兩個數值相 同，則寫入至處於來訪者控制下之所要求暫存器部分 (處理步驟51 9)。換言之’會寫入至處於來訪者控制 下之位兀；而處於VMM控制下之位元則保持不變。 在一具體實施例中，若假定在遮罩攔位及/或陰影值 攔位中未有表示之暫存器位元係處於來訪者控制之 下貝】亦可寫入至該等位元。在另一具體實施例中-， 因假定未表示之位元處於VMM控制之下，故未將資 料寫入至該等位元。否則，若在決定步驟52〇中所比 較的兩個值係不同，則處理邏輯觸發一 VM結束（處理 步驟522)。 在一具體實施例巾’由VMM預定義了用於韩選vm 結束之一組準則。該準則係以儲存於一遮罩攔位及一 陰影值欄位内之數值與來訪者軟體希望寫入至暫存 器之值的組合為基礎。圖3為處理程序3〇〇之一具體實

施例之流程圖，該處理程序使用一組準則來筛選VM 結束。該處理程序可由處理邏輯執行，處理邏輯可包 含硬體（例如電路、專用邏輯、微程式碼等）、軟體（例 如在一通用電腦系統或一專用機器上執行之軟體）亦 或包含兩者之組合。 參見圖3，在處理程序3〇〇中，處理邏輯首先決定來 訪者軟體之存取是否為一將資料寫入至一暫存器之 要求（決定步驟302)。若決定結果為「否」，即該存取 -21 - 1252427 係一讀取暫存器資料之要求，則使用下列運算式確定 該讀取要求之結果值： DEST= (MF AND SVF) OR (NOT MF AND CRVAL)， 其中AND、NOT及OR係逐一位元型布林運算元，MF 係一遮罩攔位值，SVF係一陰影值襴位值，CRVAL則 係實際受保護暫存器之現行值。若暫存器中之一對應 位元受VMM控制，則設定遮罩欄位中之一位元。否 則，若暫存器中之一對應位元受來訪者軟體控制，則 遮罩欄位中之一對應位元等於零。陰影欄位中之一位 元具有一來訪者軟體期望在暫存器之對應位元中看 到之數值，其可不同於實際暫存器之對應位元之現行 值。 根據上述運算式，若所要求之位元係由來訪者軟體 所控制·，則自暫存器讀取資料；若所要求之位元係·由 VMM所控制，則自陰影值欄位讀取資料。 若處理邏輯在決定步驟302決定來訪者軟體之存取 係一寫入要求，則處理邏輯將依據下列公式來組合遮 罩攔位之值與陰影值欄位之值（處理步驟304): INT1 = MF AND SVF 〇 此外，處理邏輯亦使用下列運算式來組合遮罩欄位 之值與來訪者軟體希望寫入暫存器之值（處理步驟 306)： INT2 = MF AND SRC， 其中SRC為來訪者希望寫入暫存器之值。 -22- 1252427 此後’處理邏輯在決定步驟3〇8内比較該等兩個紐 合值二若該等兩個組合相等（即，暫存器中之所有位 =係白由來訪者軟體所控制或皆由VMM所控制，且 陰衫值欄位中對應位元之值等於來訪者軟體希望寫 入暫存器之值），則處理邏輯將在處理步驟3〗2内執 下列運算式： CR= (MF AND CRVAL) 0R (N〇T AND SRC)。 根據該運算式，若暫存器中一位元係由來訪者軟體 所控制」則會將該位元更新為來訪者軟體希望寫入之 值。否則，暫存器t該位元之值將保持不變且不會被 更新。 ^ 暫存器中至 或者’方該荨兩個組合值不相等（即 少一位元係由VMM所控制且陰影值欄位中對應位元 之值不等於來訪者軟體希望寫入暫存器之值），則處 理邏輯將在處理步驟310内觸發結束。 應注意，處理程序300之說明因使用;個暫存器（例 如，IA-32ISA中之CR0暫存器為32位位元）與寬度為^ 位位元之遮罩攔位及陰影值欄位而得以簡化。然而， 凡熟習此項技藝之人士即知，本發明 知月之具體實施例亦 可適用於僅存取暫存器位元之有限子集或存取多個 暫存器之位元之讀取及寫入作業。此外’熟諳此技蓺 者應能瞭解’本發明亦可應用於各牵涉元件間不存: 位元一位元對應關係之情形（例如，婪、危宠 右遮罩内之位元 應用於受保護資源中多個位元）。 -23 - 1252427 至此，有關控制來訪者軟體存取硬體資源之方法及裝置 4說明已闡述完畢。吾人應瞭解，上述之說明為解說性而 非限制性之說明。在閱讀並理解上述說明後，熟諳此技蔹 者可得出許多其他具體實施例。因此，本發明之範疇應參 照後附之要求專利範圍及歸屬該等要求專利範圍之等效方 法與裝置之全部範疇確定。 【圖式簡單說明】 本發明係以附圖所示之實例形式，而非限定形式予 、兒月—在附圖中’類似之參考編號代表類似之元件。 圖1展不一可執行本發明之虛擬機器環境1〇〇之一 具體實施例； 圖2為一處理程序之一具體實施例之流程圖，該處 权序用於篩選來訪者軟體對一硬體資源（例如一 存器）之存取； 圖3為一處理程序之一具體實施例之流程圖，該處 私序用於使用一組準則來篩選VM結束； 圖4為一處理程序之一具體實施例之流程圖， 理程序用认 人免 :附加篩選來訪者軟體對一硬體資源（例如 一暫存器）之存取；及 圖5為一處、 使用一 狂序 < 一具體實施例之流程圖，該處理程序 勒/时重义向映射在VMX作業期間控制硬體資源（例如一 督孖奋）之存取。 【圖式代表符號說明】 100 ^ , 虛擬機器環境 -24- 虚擬機器抽象概念1 來訪者〇s 來訪者OS 來訪者應用軟體 來訪者應用軟體 虚擬機器監視器（VMM) 虚擬機為抽象2 平台硬體 _ 處理器 記憶體 虛擬機器控制結構（VMCS) 處理程序 自來訪者軟體接收一與一暫存器之一或多個部 -分相關之命令 - 自一遮罩欄位讀取對應之指示項 來訪者軟體是否存取所有暫存器部分？ 對該等暫存器部分執行該命令 將控制權移至VMM 處理程序 該存取是否為一料寫入至暫存器之命令？ INT1=MF AND SVF INT2=MF AND SRC INT1=INT2? VM結束 •25 · 1252427 312 CR=(MF AND CRVAL) OR (NOT MF AND SRC) 314 DEST=(MF AND SVF) OR (NOT MF AND CRVAL) 400 處理程序 402 使用一遮罩欄位内之對應指示項決定正在受到存 取之一或多個暫存器部分處於VMM控制之下 403 該存取是否為一寫入命令？ 404 寫入至處於VMM控制下之暫存器部分之資料是 否與陰影值欄位之對應部分中之資料相同？- 405 _ 將資料寫入至處於來訪者控制下之受保護資源之 部分 406 將控制權移轉至VMM 412 存取處於VMM控制下之陰影值欄位部分 414 組D並返回儲存於陰影值欄位中控制部分中 - 中之資料及受保護資源中來詩者控制部分之資料 500 處理程序 502 識別一虛擬化事件之出現 504 查詢重定向映射 506 是否已設定重定向映射中對應於該虚擬化事件之 無條件結束位元？ 508 ^ 口將用於遮罩欄位之位元設置用於該暫存器？ 510 讀取遮罩獅巾料求暫存器部分之位元 512 邊寺遮罩欄仙之位元中是否有已設定之位元？ 514 對該暫存器中所要求部分執行作業 516 用万、陰影值欄位〈位元是否設置用於該暫存器? -26 - 1252427 517 來訪者存取是否為一讀取命令？ 518 根據遮罩自陰影值欄位及暫存器讀取資料 519 窝入允許來訪者存取之暫存器部分 520 擬寫入之資料是否與陰影值欄位中之資料相同？ 522 VM結束 -27-

Claims (1)

1. I252f?k9s=4 年 u 月) 拾、申請專利範園·· 1· -種藉來#者軟體而控制存取之方法，其包括· 夕自來訪者軟體接收—命令，該命令與1暫存器之 夕個邵分相關； 或 依據-遲罩欄位内相對應於該暫存器之—或 的-或多個指示項，決定該來 #刀 存器之-或多個部分;及 者“…存取該暫 軟體可存取該暫存器之-或多個部分之每 2根櫨Φ :…， 4存。…或多個部分之 2·根據h專利範圍第1 組指示项，該奸亍…-中㈣罩攔位包括一 々杜、 員内母一指示項皆對應於該暫存哭 < 一特疋邵分，並指千e S存口口 存器之特U分。°'允許該來㈣軟體存取該暫 3·=據U專利範圍第1項之方法，其中該暫存器之 4 , 每一部分皆代表該暫存器之-特定位元， •根據申請專利範圍第i項 暫存器。 -万法’其中該暫存器係 5.t據中請專利範圍第1^方法’其中與該暫存器之 夕個邵分相關之該命令 又 或多個部分之命令。將資料寫入至該暫存器 6·根據申請專利範園第5 、 之一或多個部分之該命ΓΓΙ其中執行有關該暫 —或多個部分。 7包括將資料寫入至該暫存 7_根據申請專利範圍第5项 万法，其進一步包括： 1252427 Μ年(f月相修正替換頁I 依據該遮罩欄位内> ^ <對應扣不項，決定該來訪者軟體 不可存取該暫存器之一 、 〜或多個邵分中至少一部分； :測要求寫入該暫存器之一或多個部分中至少一部分 々貝科不同於該來#者軟體期㈣存在該暫存器之 夕個部分中至少一部分中的值；及 ^ 將控制推移韓至一.^ , 得 虛铋機器監視器（VMM)。 •根據申請專利範圍第5 、 ^月炙万法，其進一步包括·· 依據該遮罩欄位内之對 對應扣不項，決疋該來訪者軟體 不可存取該暫存器之-或多個部分中至少一部分； 價測要求窝入該暫存器之一或多個部分中至少一部分 的資料相同於該來詩者軟體期望儲存在該暫存器之一或 多個部分中至少一部分中的值；及 將資料寫入至允許該來諸者軟體存取之該暫存器之一 或多個部分之任一部分。 9.根據申請專利範圍第7項之方法’其中偵測該資料不同於 期望儲存在孩暫存器之一或多個部分中的值包括：比較 該資料與一陰影值欄位之一或多個對應部分之值。乂 10·根據申請專利範圍第9項之方法，其進一步包括· 該VMM使用該資料來更新該陰影值欄位。 11·根據申請專利範圍第1項之方法，並中盥 、 ，、肀與琢暫存器之該部 分相關之命令係一自該暫存器之一戋多 4夕個4分碩取資料 之命令。 ' 12.根據申請專利範圍第1 1項之方法，其中該對兮暫广仰、 一或多個部分執行該命令包括自該智左 ' 弔存為 < —或多個部 1252427 I n 分讀取資料。 13.根料請專利_第"項之方法，其進—步包括. ?據該遮罩攔位内之一或多個對應指示項，決定該來 :者軟體不可存取該暫存器之_或多個部分中至少一部 存取允許該來訪者軟體存取之該暫存器之—或 -έκ yV · 個兽 分之任一部分 陰影值搁位之-或多個部分，該陰影值搁位 $夕個邵分相對應於該暫存器之—或多 一部分； 丁 組合儲存於該陰影值欄位之一或多 义夕個對應邵分的資; :、：存於允許該來訪者軟體存取之該暫存器之一或多， 分之任一部分的資料；及 將該組合資料傳回至該來訪者軟體。 4·—種藉來訪者軟體而控制存取之系統，其包括： 一記憶體；及 ~處理器，其與該記憶體相耦聯，用於：自來訪者; 體接收一與一暫存器之一或多個部分相關之命依1 :遮罩欄位内相對應於該暫存器之—或多個部分的一』 夕個彳日不項，決定該來訪者軟體是否可存取該暫存器： y或多個部分；並且，若該來訪者軟體可存取該暫存丨 '或多個邵分之每一部分，則執行有關該暫存器之-或多個部分之該命令。 •根據申請專利範圍第14項之系統，其中該遮罩欄位包4

   1252427 、、从祁不， $ 相不貝皆對應於該暫 二…特定部分’並指示是否允許該來訪者軟體存取 邊暫存器之特定部分。 16. :據申請專利範圍第14項之系統，其中該暫存器 多個邵分中每一部分皆代表該暫存器之一特定位元。 17. 根據申請專利範圍第14項之系統’其中該暫存器係一 制暫存器。 二 18·根據巾請專利範圍第14項m其中與該暫存器之— 或多個部分相關之命令係一將資料寫入至該暫存器之— 或多個邵分之命令。 19. 根！申請專利範圍第18項之系、统，其中該執行有關該暫 存备<一或多個部分之該命令包括將資料窝入至該暫存 器之一或多個部分。 20. 根據申請專利範圍第18項之系統，其中該處理器亦用 於.依據孩遮罩攔位内之對應指示項，決定該來訪者軟 體不可存取該暫存器之一或多個部分中至少一部分；偵 測所要求寫入至該暫存器之一或多個部分中至少一部分 的資料不同於該來訪者軟體期望儲存在該暫存器之一或 多個邵分中至少一部分中的值；及將控制權移轉至—虛 擬機器監視器（VMM)。 21·根據申请專利範圍第1 8項之系統，其中該處理器亦用 於：依據該遮罩攔位内之對應指示項，決定該來訪者軟 m不可存取该暫存器之一或多個部分中至少一部分，·侦 測所要求寫入至該暫存器之一或多個部分中至少一部分 1252427 的資料相同於該來訪者軟體期望儲存在該暫存器之一或 多個部分中至少一部分中的值；及將資料寫入至已允許 該來訪者軟體存取之該暫存器之一或多個部分之任一部 分。 22.根據申请專利範圍第20項之系統，其中該處理器藉由比 較該資料與一陰影值攔位中一或多個對應部分的值，偵 測出該資料不同於期望儲存在該暫存器之一或多個部分 中的值。 23. 根據巾請專利範圍第18項之系統，纟中該處理器還使用 該資料來更新該陰影值攔位。 24. 根據申請專利範圍第18項之系統，其中與該暫存器之該 邵分相關之命令係一自該暫存器之一或多個部分讀取資 料之命令。 其中该執行有關該暫 自該暫存器之一或多 25·根據申請專利範圍第24項之系統， 存器之一或多個部分之該命令包括 個部分讀取資料。 6·根據中請專利範園第24項之系統，其中該處理器习 2依據該遮罩攔位内之—或多個對應指示項，決； 者軟體不可存取該暫存器之-或多個部分中至: :分，；存取已允許該來#者軟體存取之該暫存器之-二個# <任—部分；存取—陰影值欄位之一或多4 孩陰影值攔位之-或多個部分相對應於該暫存€ 、=f至少；組合儲存於該陰影值^ 〈―或多個對應部分的資料與儲存於該允許該來訪； 1252427 柳7月A日修必正替換頁 體存取之該暫存器之一或多個部 <任一部分的資料； 及將該組合資料傳回至該來訪者軟體。 〃 2H藉來諸者軟體而控制存取之機器可讀媒體，該機器 ^媒體包含指令’以當-處㈣統執行該等指令時， 騎指令可使該處理线實施-種方法，該方法包括： 自來詩者軟體接收-與-暫存器之1多個部分相關 之命令； 依據-遮罩攔位内相對應於該暫存器之一或多個部分 的:或多個指示項’決㈣㈣者軟體是否可存取該暫 存器之一或多個部分；及 一^來#者軟體可存取該暫存器之—或多個部分之每 —邵分’則執行有關該暫存器之部分之該命令。 28. 根據申請專利範圍第27項之機器可讀媒體，其中該遮罩 摘I括，组指不項，該組指示項内之每—指承項皆對 應於該暫存器之-特㈣分，並指示是否允許該來訪者 軟體存取該暫存器之特定部分。 29. :據申請專利範圍第27項之機器可讀媒體，其中該暫存 、、或夕個#分中每一邵分皆代表該暫存器之一特定 位元。 :據申Μ專利範圍第27項之機器可讀媒體，其中該暫存 裔係一控制暫存器。

   1252427 第〇92108399號專利申請案 中文圖式替換頁(94年11月）

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