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1、 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I摘摘 要要 计算机硬件的飞速发展，推动了传统虚拟化技术的革新与进步。各种不同类型虚拟化技术的不断涌现，推动了虚拟化产品在服务资源整合、软件测试等领域的广泛使用。虚拟化软件不仅在企业级应用中有着广泛的应用前景，更被越来越多的个人用户所使用。然而由于多种原因，各种虚拟化技术发展并不平衡，特别是在内核级软件的开发、测试领域有特殊作用的硬件仿真级虚拟机，还不能做到对真实计算资源的充分利用，阻碍了其在新的硬件环境下的有效使用。 针对上述问题，设计实现了一种新的并行化 x86 硬件仿真虚拟机 Para-Bo
2、chs。Para-Bochs 将并行化技术与传统 x86 硬件虚拟技术相结合，在多 CPU 的硬件环境下能够充分利用多个 CPU 计算资源， 提高虚拟机运行效率； 同时以并行化实现为基础，进一步模拟出相对更真实的对称多 CPU 硬件环境，提高虚拟机的真实性与可用性，改善用户体验。 Para-Bochs 系统的核心思想是：以线程为基本运行单位，对各个 CPU 分别进行模拟。同时辅以大量保护措施，解决如临界资源互斥等在多 CPU 并行执行环境下可能出现的问题。该系统充分利用了线程的优点，同时也考虑到了其缺点，在运行效率与模拟真实性之间取得了一个比较好的平衡。 测试结果表明：Para-Bochs 相
3、对于原有的 x86 硬件虚拟机 bochs，性能有比较明显的提高，接近了理论的加速比，达到了设计要求；同时，该虚拟机提供了一种相对真实的模拟对称多 CPU 运行模式， 这为今后硬件仿真级虚拟机在虚拟对称多 CPU环境下的广泛应用打下良好的基础。 关键词关键词：虚拟化，硬件仿真，x86，线程 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIAbstract The rapid development of computer hardware has promoted innovation and progress of the traditio
4、nal virtualization technology. Different types of virtualization technologies continue to emerge, which has promoted the wide use of virtualization software product integration in the service of resources, software testing and other areas. Virtualization software is used not only in the enterprise-l
5、evel applications, but also by an increasing number of individual users. Virtualization technologies across Computing Architecture technology combined to change the perception of the method of using traditional computing resource. However, due to various reasons, the development of various virtualiz
6、ation technology is uneven, particularly in the development and testing area of kernel-level software, it is not done right real terms the full utilization of resources, hinder its new hardware in the context of the effective use. To the above issues, as one of the x86 hardware emulator, Para-Bochs
7、is designed. the parallel virtualization technology of Para-Bochs which connect with the traditional virtual technology, make the emulator virtual machine in multi-CPU hardware environment to take full advantage of CPU resources, and improve the operating efficiency of virtual machine; Para-Bochs ca
8、n simulate relative true SMP virtual hardware environment based on the parallel virtualization technology, which improve the veracity and availability of the virtual machine, including the user experience. The core idea of Para-Bochs is: Thread is the basic operating unit; simulation is based on ind
9、ependently equipment as CPU, and supplemented by a large number of simultaneous, which can solve the problems, such as mutex of critical resources, which may occur in the case of simulating real synchronous structure by using of the non-synchronous structure. The system makes full use of the advanta
10、ges of thread, and it also taking into account its shortcomings, in the operating efficiency and simulation of authenticity between relatively good balances. Test results show that: compared to the original x86 virtual machine bochs, the performance of Para-Bochs virtual machine is noticeably improv
11、ed, close to the 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIItheoretical speedup, which meets the designed requirements; Meanwhile, The virtual machine provides a relatively realistic SMP simulation mode. This simulation mode lay a good foundation for the wide use of future hardware emulator
12、in virtual SMP environment. Keywords： Virtualization, Hardware Emulator, x86, thread 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位
13、论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 绪论绪论 本章首先简要地概述虚拟机的概念，接着分析国内外虚拟化技术的发展现状，在此基础上提出了 Para-
14、Bochs 系统的设计目标和特色，最后介绍全文的组织结构。 1.1 课题背景课题背景 虚拟机1,2的概念对于计算机世界来讲并不算新，但是许多人并不知道或理解这个概念。如果你是一个典型的计算机用户，并且通过 Internet 来浏览 Web 网页，那么你很可能在和一个虚拟机交互，这个虚拟机就是 JAVA 虚拟机。其实，在计算机世界，虚拟机的概念经常被用来解决一些非常重要的问题。但是通常这些对用户来说是透明的，因为虚拟机一般在用户每天使用的程序和操作系统内部才会用到。虚拟机所要解决的问题包括：通过分割硬件使许多程序共享同一个硬件，使软件在多个操作系统之间是“可移植”3,4,5的，以及在新的计算机上
15、运行旧的软件。所有虚拟机的这些用途，对于我们今天的计算来说都是非常重要的。 所有的机器，不管是电冰箱，录像机，还是计算机，都有一个共同点：它们被设计用来完成一组特定的指令。这些指令组成一个指令集。对于机器来讲，这些指令被用来告诉机器做什么，以及完成什么任务。对于虚拟机来讲，“虚拟”实际上就是指的这些指令集。虚拟机有许多不同的类型，但是它们有一个共同的主题就是模拟一个指令集的概念。每个虚拟机都有一个用户可以访问的指令集。虚拟机把这些虚拟指令“映射”到计算机的实际指令集。 在虚拟机领域，主要有四种不同的思想流派。第一种以 IBM 虚拟机模型6,7为代表，它几乎是一种一一映射。第二种流派由机器中每条
16、指令和一个虚拟指令间的映射组成，它以 Java 虚拟机8为代表。UNIX 虚拟机模型和 OSI 虚拟机模型9,10代表着最后两种模型。这两种模型直接映射一部分指令，而其它的指令则是对操作系统函数的直接调用。 在 IBM 模型中，每一个虚拟机都是一台真正机器的完整拷贝，只是内存少了点。根据这一概念，一个功能强大的大型主机可以被分割成许多虚拟机。这些虚拟机仅比原来的主机少一点资源而已。 IBM 的虚拟机版本和其他虚拟机流派类似，因为它华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2也是提供功能映射的服务。这意味着虚拟机负责解释虚拟指令，并把它们映射为实际的机器指令。对于 IBM 流派的虚拟机而言，这种指令的映射基本上是一种一一映射。这意味着一条虚拟指令仅仅与一条实际指令对应，并完成一条实际指令的工作。从本质上讲，用户
