1.1 需求分析
目前的虛擬機監控器，大多都是直接運行在操作系統之上的，例如 VMware workstation, KVM, Virtual PC 等。只有 Xen 和 VMware ESX 提供運行在硬件上的機制。
但是， Xen 虛擬機監控器使用的是 Linux 內核，因此代碼量過於龐大，維護起來非常的困難，而且由於代碼量過大，其安全性也相對地較難得到保障。 VMware ESX 雖然提供了它自己設計和實現的一個精簡的操作系統內核，可以說，它是目前市面上最爲優秀的虛擬機監控器，但是它是閉源的，無法獲取源碼，而且需要昂貴的授權費用。
基於以上原因，我們提出了設計一個輕量級的虛擬機監控器的方案，即 Smart-VM. 。 Smart-VM 將採用開源的形式，且它提供了一個精簡的操作系統內核作爲虛擬機監控器的核心。
1.1.1 目標功能
Smart-VM 是一個輕量級的虛擬機，提供了一個專用的操作系統內核。它的主要目標功能包括：
a) 簡單的用戶交互：即命令行控制檯；
b) 虛擬硬件平臺：針對每個客戶操作系統，虛擬出一套硬件設備；
c) 管理虛擬機：當同時運行多個虛擬機的時候，需要協調多個虛擬機之間的運行；
d) 管理硬件資源：由於 Smart-VM 是直接運行在硬件上的，因此需要管理硬件資源。
1.2 Smart-VM 總體結構
Smart-VM 是在 PC 機上運行的虛擬化技術平臺，它提供了同時運行多個客戶操作系統的機制。對於每個虛擬計算機， Smart-VM 都會虛擬出一套硬件設備，同時， Smart-VM 又要管理真實的硬件設備，協調各個客戶操作系統對硬件設備資源的訪問。如圖 5.1 。
圖 5 . 1 Smart-VM 總體結構
Smart-VM 虛擬化層：爲客戶操作系統虛擬出一套硬件平臺供其使用；
Smart-VM 操作系統：負責管理硬件資源，同時還要協調好客戶操作系統對硬件資源的訪問；
1.3 客戶操作系統
相對於半虛擬化來說， Intel-VT 技術的優點就是不需要修改客戶操作系統的內核，因此，客戶操作系統在虛擬平臺上的運作模型也沒有改變 ( 客戶操作系統的運作模型如圖 5.2 ，正常操作系統的運作模型是圖 5.3) ，極大地降低了開發虛擬機監控器的難度。因此，對於客戶操作系統來說，它是感覺不到虛擬機監控器的存在的。
圖 5 . 2 Smart-VM 客戶操作系統運作模型
圖 5 . 3 操作系統運作模型
1.4 Smart-VM 監控器
中間着色的部分就是 Smart-VM 虛擬機監控器。它也是我們的工作。
Smart-VM 虛擬機監控器的功能包括：
a) 爲每個客戶操作系統虛擬出一套虛擬平臺；
b) 管理真實的硬件資源；
基於以上的需求，我們將 Smart-VM 分爲兩個大模塊，一個是 Smart-VM 虛擬化層，另外一個是 Smart-VM 操作系統。
1.4.1 Smart-VM 虛擬化層
Smart-VM 虛擬化層的主要功能是爲上層客戶操作系統虛擬出一套硬件平臺：
a) 處理器虛擬化：包括實模式虛擬化和保護模式虛擬化；
b) 中斷虛擬化：能夠處理異常，軟件中斷和外部中斷；
c) 內存虛擬化：現在，我們是通過虛擬內存的形式實現的；
d) I/O 虛擬化：能夠與外圍設備進行通信；
Smart-VM 虛擬化層的架構圖如下（如圖 5.5 ）：
圖 5 . 4 Smart-VM 虛擬化層
虛擬服務分發器：虛擬服務分發器根據客戶操作系統退出時得到的信息，將服務請求分發到虛擬化層的各個模塊，然後收集各個模塊執行完請求後的反饋信息，交給客戶操作系統處理。
實模式虛擬化： Smart-VM 的實模式虛擬化，是利用虛擬 8086 模式實現的。主要還是要處理好 BIOS 虛擬化和特權級虛擬化。
保護模式虛擬化：能夠運行 32 位客戶操作系統的內核，包含三個子模塊：
a) 中斷虛擬化：主要是處理好保護模式下的中斷；
b) 內存虛擬化：使用的是影子頁表；
c) I/O 虛擬化：能夠與外圍設備進行交互；
1.4.1.1 處理器虛擬化
處理器虛擬化包括實模式虛擬化和保護模式虛擬化兩個主要的模塊。在處理器運行的過程中，由於各種各樣的原因，需要不斷地進行 VMX 根操作模式和 VMX 非根操作模式的切換。
圖 5 . 5 Smart-VM 狀態轉換圖
圖 5.5 顯示了 Smart-VM 的狀態轉換關係：
1. 計算機剛啓動的時候，處理器處於實模式；
2. 當處理器處於實模式的時候，初始化保護模式所需要的環境之後，就可以進入保護模式；
3. 當處理器處於保護模式的時候，可以通過執行 VMXON 指令進入 VMX 的根模式，當處理器處於 VMX 根操作模式的時候，可以通過執行 VMXOFF ，退出到保護模式；
4. 當處理器激活 VMX 模式是，需要處理好三種子模式之間的轉換：
a) VMX 根模式：在 VMX 的根操作模式下運行的是 Smart-VM 虛擬機監控器。通過執行 VMLAUNCH 或者 VMRESUME 指令，處理器可以進入 VMX 非根操作模式；
b) VMX 非根操作模式下的保護模式：實際上，處理器進入非根模式的時候，只能進入 VMX 非根模式下的保護模式， VMX 非根操作模式下的虛擬 8086 模式，只是 VMX 非根操作模式下的保護模式的一個子模式。
i. 當 eflages 寄存器的 VM 位置 1 是，處理器就處於虛擬 86 模式，從保護模式進入虛擬 86 模式，可以通過執行 iret 指令或者任務切換來完成；
ii. 從 VMX 非根模式下的保護模式退出到 VMX 根模式，有很多種情況，主要分爲條件退出和無條件退出兩大類；
c) VMX 非根模式下的虛擬 86 模式：到處理器處於 VMX 非根模式下的虛擬 86 模式，執行的是 16 位的程序；
i. 從 VMX 非根模式下的虛擬 86 模式退出到 VMX 根模式，同樣分爲條件退出和無條件退出兩大類；
ii. 從 VMX 非根模式下的虛擬 86 模式退出到 VMX 非根模式下的保護模式，一般通過異常 / 中斷，或者任務切換；
圖 5 . 6 Smart-VM 操作系統的整體結構
1.4.2 Smart-VM 操作系統
Smart-VM 虛擬機監控器設計的目標就是儘可能保持最精簡的代碼，但是又考慮到性能的原因，因此， Smart-VM 的內核採用了宏內核和微內核的折中處理方法（如圖 5.6[15] ），即將一部分與性能密切相關的功能放在內核，其他的功能放在內核之外，作爲服務進程來運行。
1.4.2.1 進程管理
進程管理的功能包括：
a) 進程通訊：實現兩個進程之間的本地通訊；
b) 進程調度：能夠公平合理地爲每個進程分配處理器資源；
c) 內存管理：實現內存的動態分配；
1.4.2.2 內存管理
內存管理需要高效的處理兩種情況：
a) 小塊的內存管理：比如說幾個字節的內存申請；
b) 大塊的內存管理：比如說一次性申請幾十兆，甚至上百兆的內存塊；
1.4.2.3 設備驅動
設備驅動程序用於控制硬件。所有針對設備的訪問，都是通過設備驅動程序來完成了。
設備驅動程序主要分爲兩大類：
a) 字符設備驅動程序：這類設備訪問速度較慢，例如鍵盤等；
b) 塊設備驅動程序：這類設備的訪問速度較快，例如硬盤，顯卡等；
1.4.2.4 文件系統
與 Linux 類似，採用所有的設備皆文件的方法。
該文件文件系統主要支持的功能包括：
a) 虛擬機監控器的日誌；
b) 各個虛擬機的相關資料，包括虛擬機的配置文件，虛擬機的硬件資源 ( 比如說劃分給虛擬機的硬盤也當作一個文件來管理 ) 等；
c) 外部設備；
1.5 本章小結
從邏輯上， Smart-VM 分爲兩層：
a) Smart-VM 虛擬化層，主要是通過虛擬服務分發器分發客戶操作系統的服務請求。
b) Smart-VM 操作系統，用於硬件資源管理，功能包括：
i. 進程管理
ii. 內存管理
iii. 設備驅動
iv. 文件系統