【虚拟化】在AMD-V上实现拦截中断窗口

唐凌

简介

所谓中断窗口（Interrupt Window），就是指处理器能处理中断的时机。比如rflags.if复位时，处理器就无法接收中断。

Intel上的中断窗口

在Intel VT-x上，VMCS中的Primary Processor-based VM-Execution Control字段直接提供了拦截中断窗口（Interrupt-Window Exiting）的位（见下图）。但在AMD-V中没有直接的相关设置。

所谓"no other blocking of interrupts"，有两种情况：

• 处理器不活动：它可能处于关机（Shutdown）状态或者时等待SIPI（Startup Inter-Processor Interrupt）状态。注意这种情况下处理器会屏蔽外部中断，不位于中断窗口。当处理器因hlt指令停止运行时，若rflags.if置位，则可以接收中断，处于中断窗口中。
• 中断阴影之外：当处理器遇到mov ss,xx, pop ss或者sti指令时，会进入中断阴影（Interrupt Shadow）之中。中断阴影会屏蔽外部中断（External Interrupt），不可屏蔽中断（Non-Maskable Interrupt），以及调试陷阱（Debug Trap）。

AMD-V上拦截中断窗口

AMD-V没有直接提供拦截中断窗口的选项，但是它提供了更高级的虚拟local APIC的功能。详见VMCB的+0x060的偏移处（如下图所示)。

• 第0-7位表示处理器的TPR，也就是cr8寄存器的作用。
• 第8位表示处理器是否有未接收的虚拟中断请求（Virtual Interrupt Request，简称V_IRQ）。
• 第9位表示处理器的虚拟GIF位。此位用于加速嵌套虚拟化。
• 第11位表示处理器是否有未接收的虚拟不可屏蔽中断。
• 第12位表示处理器是否处于屏蔽虚拟NMI的状态。
• 第16-19位表示V_IRQ的优先级。当优先级不大于TPR时，中断会被屏蔽。
• 第20位表示是否无视TPR。
• 第24位用于控制物理外部中断的屏蔽行为。
  • 若此位置位，物理外部中断不受虚拟机的rflags.if位控制。
  • 若此位复位，物理外部中断受虚拟机的rflags.if位控制。这种情况下，若虚拟机的rflags.if复位，且陷入死循环中时，会使得物理处理器一并卡住，除非有物理NMI使处理器脱离死循环。这种情况往往是OS设置的基于NMI的看门狗启动了。
• 第25位表示是否启用虚拟GIF机制。此位用于加速嵌套虚拟化，此位若复位则第9位的设置无效。
• 第26位表示是否启用虚拟NMI机制。注意虚拟NMI是新机制，在Zen 4起才有。老AMD处理器需要自行模拟NMI的屏蔽性。此位若复位则第11和12位的设置无效。
• 第30位表示是否启用x2AVIC机制。x2AVIC相较于AVIC意义在于将处理器的APIC号从8位扩展至32位（GPU看了都表示够多了）。
• 第31位表示是否启用AVIC机制。AVIC即Advanced Virtual Interrupt Controller，可用于加速对APIC的虚拟化。即物理设备发送的虚拟中断以及虚拟IPI。
• 第32-39位表示V_IRQ的中断矢量号（Interrupt Vector），也就是具体投送到IDT/IVT的哪个中断矢量上。

此外，在VMCB的+0x00C的偏移处，第4位可以拦截V_IRQ。

这就好办了，我们可以将V_IRQ和虚拟中断的拦截同时置位。如此一来，当VMM接到虚拟中断的拦截时，则表明此时虚拟处理器可以接收中断。
注意TPR也会屏蔽优先级小于等于TPR的中断。因此如果需要像Intel那样拦截中断窗口（无视TPR），则需要在虚拟local APIC字段中启用无视TPR的选项。

测试

测试内容基于NoirVisor提供的NoirCvmApi接口（暂时只支持64位Host下的AMD-V）。
咱就说Guest这一侧，其入口代码如下：

void guest_entry()
{
    char a[]="Hello!\n";
    init_idt();
    __outbytestring(stdout_port,a,sizeof(a));
    _enable();
    __nop();    // The sti instruction causes an interrupt-shadow.
    _disable();
    __halt();
}

首先初始化IDT，其中设置两个外部中断的中断矢量。然后用rep outsb指令对外输出一个"Hello"字符串。
然后用_enable这个MSVC的内置宏让MSVC生成sti指令来启用中断。注意sti会产生一个中断阴影，因此后面加了个nop指令来确保度过中断阴影，迎来中断窗口。
在现有的NoirVisor的设计中，中断窗口的拦截仅发生在注入一个外部中断之后，目的在于让VMM维持中断队列。因此guest_entry里生成的中断窗口不会被拦截。但是VMM会在Guest开始之前便注入一个中断，故中断会发生在该中断窗口上。
中断处理函数内容如下：

void handle_true_interrupt()
{
    char msg1[]="True interrupt...\n";
    char msg2[]="Over...\n";
    __outbytestring(stdout_port,msg1,sizeof(msg1));
    _enable();
    __nop();        // At this point, we should receive an interrupt.
    _disable();
    __outbytestring(stdout_port,msg2,sizeof(msg2));
}

可以看到它也会触发一次中断窗口。
在VMM一侧，在遇到第一次中断窗口的拦截时就会注入一次中断。该中断的处理函数如下：

void handle_false_interrupt()
{
    char msg[]="False interrupt...\n";
    __outbytestring(stdout_port,msg,sizeof(msg));
}

那么，理论而言，字符串的输出顺序就是:

True interrupt...
False interrupt...
Over...

运行结果如图所示：

可以看到两次中断窗口的拦截都发生在rip=0x604D，可以用IDA看看这里有啥。

可以看出这个位置在第一个中断处理函数中，正好位于nop之后。这是由于sti会生成中断阴影，因此在nop指令发生之前不会进入中断窗口。
而当第二个中断返回时，也会返回到这个位置，再次进入中断窗口，故再次触发中断。

总结

虽然AMD-V没有直接提供拦截中断窗口的方式，但是提供了更为高级的虚拟local APIC功能。
通过同时设置拦截虚拟中断并注入虚拟中断，可以实现拦截中断窗口的效果。
而且相比Intel VT-x，还可以实现相对于TPR的中断窗口。在Intel VT-x上，则需要自行拦截对cr8的读写来模拟TPR。
本文的完整代码详见GitHub

kanren

干货，顶

美俪女神

我看成了“用AMD-V上实现拦截窗口创建”。