CPU 与拓扑

架构文档 > 2. 虚拟机架构

如表 2.2 所示，每个 VM 都具有由 1、2、4 或 8 个虚拟处理器构成的不可变处理器容量，以及确定性的拓扑。

表 2.2. 处理器拓扑。

属性	契约
NUMA 节点	一个
CPU 插槽	一个
裸片	一个
每核心线程数	一个
核心数	等于处理器容量
APIC 模式	xAPIC
APIC ID	连续，从零开始

2.2.1 CPU 配置

客户机看到的是一个 CPU 配置，而不是宿主直通。CPU 配置是某一厂商和某一代 CPU 的完整客户机可见 CPU 表面，由所有后端共享。在每一个受管控的 CPUID 条目中，客户机只会看到 CPU 配置中的取值，但固定的 VMM 所属字段以及时间 ABI 所属的字段除外。同一个 CPU 配置在每个后端上都给出相同的客户机行为；它并不能使快照在不同后端之间可移植。

CPU 配置是带版本的数据，具有一种规范编码和一个 SHA-256 摘要。其标识符形如 <vendor>.<generation>.v<revision>。它包含：

• CPU 厂商以及该代的 CPU 签名，以标识处理器设计及其修订（family、model、stepping）的编号区间表示。
• 一张稠密的 CPUID 表，覆盖每个基本叶和扩展叶，以及每个叶的次级索引（子叶）直到 CPU 配置的最大值；每个寄存器有一个取值和一个掩码，其中掩码位为置位表示固定该取值，为清零位表示该位归 VMM 或运行时所有。
• 客户机可能启用的扩展处理器状态保存与恢复（XSAVE）组件，例如向量寄存器，以及每个组件的大小、偏移和标志。
• 客户机物理地址宽度。
• 钉定的模型专用寄存器（MSR）取值及其掩码。
• 说明性的来源信息。

CPU 配置通过逐寄存器求交宿主指纹导出，先在每个后端内部求交，再跨后端求交。已发布的修订不可变且永不删除；规范性的变更会创建新的修订。

如表 2.3 所示，每一个 CPUID 位都恰好有一个所有者。

表 2.3. CPUID 字段的归属。

所有者	字段
CPU 配置	掩码位为置位的所有受管控取值，以及钉定的 MSR
VMM	逻辑处理器数量和初始 APIC ID、用于通告 APIC 的基于 MSR 的模式（x2APIC）所用的位、核心与缓存共享计数，以及处理器拓扑叶
客户机运行时状态	报告客户机内核是否启用了 XSAVE 和内存保护密钥的位（OSXSAVE 和 OSPKE），以及用于选择已启用的用户态与监管态组件的寄存器（XCR0 和 XSS）当前取值所对应的 XSAVE 大小
时间 ABI	叶 0x40000000 至 0x4fffffff、0x15、0x16，以及 CPU 时间位
策略	对虚拟化扩展、Intel 安全飞地（SGX）、处理器追踪、缓存与内存带宽分配（resource director technology）、内存加密以及其他被排除特性置零

由于机器只有一个 CPU 插槽且每个虚拟处理器一个核心，每个缓存都报告“每插槽核心数 = 处理器数量减一”，L3 缓存由每个处理器共享，而每个 L1 和 L2 缓存只服务一个处理器。

2.2.1.1 有效 CPUID

有效 CPUID 是 CPU 配置、VM 拓扑和时间 ABI 身份叶的纯函数。它恰好列出受管控的条目：CPU 配置表中的每个叶和子叶；拓扑所定义的子叶处的拓扑叶，以及终止它们的子叶；以及 hypervisor 身份叶及其显式零值叶。VMM 计算它，把它记录在快照清单中，并在恢复时重新计算。因此该记录从不依赖于后端如何枚举或缓存 CPUID，同一个 CPU 配置和拓扑在每个后端上都产生相同的记录。由于该记录还固定了 VMM 自身的叶和 VMM 所属的位，改变 VMM 计算它们的方式会破坏快照兼容性。

只有探测越过已通告的最大值才能到达的条目属于保留条目：高于最大基本叶或扩展叶的叶、越过某个叶的最大值或终止符的子叶，以及已禁用组件的 XSAVE 子叶。它们的取值由实现定义，客户机不得依赖它们；验证仍会把宿主特性排除在这些条目之外。

有些字段仅供参考，不参与比较：CPUID 报告的处理器名称（品牌字符串）按代通用，并不指明任何频率；缓存描述符叶来自参考宿主；微码修订未被钉定。

与缓解措施相关的位跟随硬件。只有当其所在代的每个 CPU 都具备某项免疫能力或控制，并且每个后端都能呈现它时，CPU 配置才会声明该能力或控制，从而使客户机保持其缓解措施处于启用状态。

2.2.1.2 CPU 配置选择

每个微虚拟机都有一个 CPU 配置。冷启动会显式选择一个钉定的 CPU 配置、自动选择一个，或使用宿主 CPU 配置：

• 自动选择使用那唯一一个钉定配置的最高修订，其所在代覆盖宿主的厂商、family、model 和 stepping。
• 在没有任何钉定配置能服务的 Intel 或 AMD CPU 上，自动选择回退到宿主配置，并在每次走该回退路径的冷启动时发出警告。
• 其他厂商的 CPU、有歧义的目录匹配，或后端无法支持的钉定配置，都会导致失败而不是回退。

宿主 CPU 配置在冷启动时按照与钉定配置相同的导出策略，从后端在当前宿主上的指纹导出。客户机看到的仍然是经策略过滤的表面，而不是宿主的 CPUID：只有被允许的数据叶才保留数据，策略特性被清零，XCR0 保持在被允许的组件范围内，品牌字符串是通用的，且该代只覆盖宿主的 family、model 和 stepping。宿主配置既未经评审，也并非不可变，因为固件、微码、hypervisor 或操作系统更新都可能改变它。它的快照携带宿主配置文档，且只有在 CPU 型号和 stepping 相同、并且其 hypervisor 支持它的宿主上才能恢复。

恢复始终使用快照所记录的 CPU 配置，绝不回退。

2.2.1.3 CPU 配置验证

在分区创建时，无论是冷启动还是恢复，VMM 都会验证：

1. CPU 配置是有效的，包括其规范编码、稠密度、归属掩码和 CPU 时间位。
2. 宿主的厂商、family、model 和 stepping 属于该 CPU 配置所在的代。
3. 后端支持该 CPU 配置，包括每一个置位的特性位、每一个上限、XSAVE 布局、XCR0 与 XSS 子集，以及每一个钉定的 MSR 取值，其中时间策略位豁免。
4. 在恢复时，VMM 钉定相同的 CPU 配置 ID 和摘要，或者所记录的是宿主配置且它是一份带有记录摘要的有效规范文档，并且重新计算出的有效 CPUID 与所记录的相等。
5. 后端在其掩码之下，于第一个虚拟处理器上呈现有效 CPUID。
6. 在会透传保留条目的后端上，CPU 配置的表、身份范围和拓扑叶之外不存在任何非零条目。

所有违规项都会一并报告，并指出具体的叶、子叶、寄存器和位。

2.2.2 处理器容量

处理器容量是机器身份的一部分，并在 VM 的整个生命周期内保持固定。处理器拓扑、APIC ID、MP 表和已保存的处理器清单始终准确描述该容量，即使快照捕获的在线处理器更少，因此在恢复时让更多处理器上线也绝不会改变拓扑。处理器激活 描述了恢复如何选择其在线处理器。