المحاكاة الافتراضية x86

نظرًا لأن معالج Intel 80286 لم يكن قادرًا على تشغيل تطبيقات DOS المتزامنة بكفاءة في الوضع المحمي، فقد قدمت Intel وضع 8086 الافتراضي في شريحة 80386 ، والذي وفر معالجات 8086 افتراضية على شرائح 386 وما بعدها. ومع ذلك، لم يتوفر دعم الأجهزة لمحاكاة الوضع المحمي نفسه إلا بعد 20 عامًا. ^{[ 15 ]}

قامت AMD بتطوير الجيل الأول من ملحقات المحاكاة الافتراضية تحت الاسم الرمزي "Pacifica"، ونشرتها في البداية باسم AMD Secure Virtual Machine (SVM)، ^{[ 16 ]} ولكن تم تسويقها لاحقًا تحت العلامة التجارية AMD Virtualization ، والمختصرة بـ AMD-V .

في 23 مايو 2006، أصدرت AMD معالجات Athlon 64 ( "أورليانز" ) و Athlon 64 X2 ( "ويندسور" ) و Athlon 64 FX ( "ويندسور" ) كأول معالجات AMD التي تدعم هذه التقنية.

تتوفر تقنية AMD-V أيضًا في معالجات عائلة Athlon 64 و Athlon 64 X2 ذات الإصدارات "F" أو "G" على مقبس AM2 ، ومعالجات Turion 64 X2 ، ومعالجات Opteron من الجيل الثاني ^{[ 17 ]} والجيل الثالث ^{[ 18 ]} ، ومعالجات Phenom و Phenom II . تدعم معالجات APU Fusion تقنية AMD-V. لا تدعم أي من معالجات مقبس 939 تقنية AMD-V. معالجات Sempron الوحيدة التي تدعمها هي معالجات APU ووحدات المعالجة المركزية المكتبية Huron و Regor و Sargas .

تدعم معالجات AMD Opteron بدءًا من خط Family 0x10 Barcelona، ومعالجات Phenom II، تقنية افتراضية للأجهزة من الجيل الثاني تسمى Rapid Virtualization Indexing (المعروفة سابقًا باسم Nested Page Tables أثناء تطويرها)، والتي اعتمدتها Intel لاحقًا باسم Extended Page Tables (EPT).

اعتبارًا من عام 2019، تدعم جميع معالجات AMD القائمة على معمارية Zen تقنية AMD-V.

علامة وحدة المعالجة المركزية لـ AMD-V هي "svm". يمكن التحقق من ذلك في مشتقات BSD عبر dmesg أو sysctl وفي Linux عبر . ^{[ 19 ]} تتضمن التعليمات في AMD-V كلاً من VMRUN وVMLOAD وVMSAVE وCLGI وVMMCALL وINVLPGA وSKINIT وSTGI./proc/cpuinfo

في بعض اللوحات الأم ، يجب على المستخدمين تفعيل ميزة AMD SVM في إعدادات BIOS قبل أن تتمكن التطبيقات من استخدامها. ^{[ 20 ]}

كانت تقنية VT-x تُعرف سابقًا بالاسم الرمزي "Vanderpool"، وهي تمثل تقنية إنتل للمحاكاة الافتراضية على منصة x86. في 14 نوفمبر 2005، أصدرت إنتل طرازين من معالجات بنتيوم 4 (الطراز 662 والطراز 672) كأول معالجات إنتل تدعم تقنية VT-x. يُرمز لخاصية VT-x في وحدة المعالجة المركزية بالرمز "vmx"؛ ويمكن التحقق من ذلك في نظام لينكس عبر الأمر `vmx` /proc/cpuinfo، أو في نظام macOS عبر الأمر ` sysctl machdep.cpu.featuresvmx`. ^{[ 19 ] [ 21 ] [ 22 ]}

يشير اختصار "VMX" إلى ملحقات الآلة الافتراضية، والتي تضيف 13 تعليمة جديدة: VMPTRLD، وVMPTRST، وVMCLEAR، وVMREAD، وVMWRITE، وVMCALL، وVMLAUNCH، وVMRESUME، وVMXOFF، وVMXON، وINVEPT، وINVVPID، وVMFUNC. ^{[ 23 ]} تسمح هذه التعليمات بالدخول والخروج من وضع التنفيذ الافتراضي حيث يعتبر نظام التشغيل الضيف نفسه يعمل بصلاحيات كاملة (الحلقة 0)، بينما يظل نظام التشغيل المضيف محميًا.

اعتبارًا من عام 2015تدعم معظم معالجات إنتل الحديثة للخوادم وأجهزة سطح المكتب والأجهزة المحمولة تقنية VT-x، باستثناء بعض معالجات إنتل أتوم . ^{[ 24 ]} في بعض اللوحات الأم ، يجب على المستخدمين تفعيل ميزة VT-x من إنتل في إعدادات BIOS قبل أن تتمكن التطبيقات من استخدامها. ^{[ 25 ]}

بدأت إنتل بتضمين جداول الصفحات الموسعة (EPT)، ^{[ 26 ]} وهي تقنية لمحاكاة جداول الصفحات، ^{[ 27 ]} منذ معمارية نيهاليم ، ^{[ 28 ] [ 29 ]} التي صدرت عام 2008. وفي عام 2010، أضافت ويستمير دعمًا لتشغيل المعالج المنطقي مباشرةً في الوضع الحقيقي - وهي ميزة تُسمى "الضيف غير المقيد"، والتي تتطلب وجود EPT للعمل. ^{[ 30 ] [ 31 ]} 

منذ إطلاق معمارية Haswell الدقيقة (في عام 2013)، بدأت إنتل بتضمين تقنية VMCS shadowing لتسريع المحاكاة الافتراضية المتداخلة لـ VMMs. ^{[ 32 ]} بنية التحكم في الآلة الافتراضية (VMCS) هي بنية بيانات في الذاكرة موجودة مرة واحدة فقط لكل آلة افتراضية، وتتم إدارتها بواسطة VMM. مع كل تغيير في سياق التنفيذ بين الآلات الافتراضية المختلفة، يتم استعادة VMCS للآلة الافتراضية الحالية، مما يحدد حالة المعالج الافتراضي للآلة الافتراضية. ^{[ 33 ]} بمجرد استخدام أكثر من VMM واحد أو VMMs متداخلة، تظهر مشكلة مشابهة لتلك التي استدعت ابتكار إدارة جدول صفحات الظل، كما هو موضح أعلاه . في مثل هذه الحالات، يلزم نسخ VMCS مؤقتًا عدة مرات (في حالة التداخل) وتنفيذه جزئيًا برمجيًا في حال عدم وجود دعم مادي من المعالج. ولجعل معالجة VMCS الظلية أكثر كفاءة، قامت إنتل بتوفير دعم مادي لتقنية VMCS shadowing. ^{[ 34 ]}

تدعم معالجات VIA Nano من سلسلة 3000 وما فوقها تقنية المحاكاة الافتراضية VIA VT المتوافقة مع Intel VT-x. ^{[ 35 ]} تتوفر تقنية EPT في معالج Zhaoxin ZX-C، وهو معالج مُشتق من VIA QuadCore-E و Eden X4، على غرار معالج Nano C4350AL . ^{[ 36 ]}

في عام 2012، أعلنت AMD عن وحدة التحكم المتقدمة في المقاطعات الافتراضية ( AVIC ) بهدف تقليل الحمل الزائد للمقاطعات في بيئات المحاكاة الافتراضية. ^{[ 37 ]} هذه التقنية، كما أُعلن عنها، لا تدعم x2APIC . ^{[ 38 ]} في عام 2016، أصبحت AVIC متاحة في معالجات AMD من عائلة 15h، طرازات 6Xh (Carrizo) وما بعدها. ^{[ 39 ]}

في عام 2012 أيضًا، أعلنت إنتل عن تقنية مماثلة للمقاطعات ومحاكاة APIC ، والتي لم تكن تحمل اسمًا تجاريًا عند الإعلان عنها. ^{[ 40 ]} لاحقًا، تم تسويقها تحت اسم محاكاة APIC ( APICv ) ^{[ 41 ]} وأصبحت متاحة تجاريًا في سلسلة معالجات Ivy Bridge EP من إنتل، والتي تُباع باسم Xeon E5-26xx v2 (أُطلقت في أواخر عام 2013) وباسم Xeon E5-46xx v2 (أُطلقت في أوائل عام 2014). ^{[ 42 ]}

تتيح وحدة إدارة ذاكرة الإدخال/الإخراج (IOMMU) للأجهزة الافتراضية الضيفة استخدام الأجهزة الطرفية مباشرةً ، مثل الإيثرنت وبطاقات الرسومات المُسرّعة ووحدات تحكم محركات الأقراص الصلبة، من خلال الوصول المباشر إلى الذاكرة وإعادة تعيين المقاطعات . ويُطلق على هذا أحيانًا اسم تمرير PCI . ^{[ 44 ]}

تتيح وحدة إدارة الذاكرة للإدخال/الإخراج (IOMMU) لأنظمة التشغيل إمكانية الاستغناء عن مخازن الارتداد اللازمة للتواصل مع الأجهزة الطرفية التي تكون مساحات عناوين ذاكرتها أصغر من مساحة عناوين ذاكرة نظام التشغيل، وذلك باستخدام ترجمة عناوين الذاكرة. وفي الوقت نفسه، تُمكّن وحدة IOMMU أنظمة التشغيل والمشرفين من منع الأجهزة المعيبة أو الخبيثة من اختراق أمان الذاكرة .

أصدرت كل من شركتي AMD و Intel مواصفات IOMMU الخاصة بهما:

• تقنية المحاكاة الافتراضية للإدخال/الإخراج من AMD، "AMD-Vi"، والتي كانت تسمى في الأصل "IOMMU" ^{[ 45 ]}
• تتضمن معظم معالجات إنتل الحديثة المتطورة (وليس جميعها) منذ معمارية Core 2 تقنية "الافتراضية للإدخال/الإخراج الموجه" (VT-d) ^{[ 46 ] . [ 47 ]}

بالإضافة إلى دعم وحدة المعالجة المركزية، يجب أن تدعم كل من شريحة اللوحة الأم وبرنامج النظام الثابت ( BIOS أو UEFI ) وظيفة محاكاة الإدخال/الإخراج IOMMU بشكل كامل لكي تكون قابلة للاستخدام. لا يمكن محاكاة سوى أجهزة PCI أو PCI Express التي تدعم إعادة ضبط مستوى الوظيفة (FLR) بهذه الطريقة، حيث إنها ضرورية لإعادة تعيين وظائف الأجهزة المختلفة بين الأجهزة الافتراضية. ^{[ 48 ] [ 49 ]} إذا كان الجهاز المراد تعيينه لا يدعم مقاطعات الإشارة بالرسائل (MSI)، فيجب ألا يتشارك خطوط المقاطعة مع أجهزة أخرى حتى يكون التعيين ممكنًا. ^{[ 50 ]} يمكن تعيين جميع أجهزة PCI التقليدية الموجهة عبر جسر PCI/ PCI-X إلى PCI Express إلى جهاز افتراضي ضيف دفعة واحدة فقط؛ أما أجهزة PCI Express فلا تخضع لهذا القيد.

• تقنية "الافتراضية للاتصال" من إنتل (VT-c). ^{[ 51 ]}