《平台上专用设备虚拟化的研究与开发》由会员分享，可在线阅读，更多相关《平台上专用设备虚拟化的研究与开发（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘要随着计算机技术的不断发展，尤其是硬件技术的不断革新,计算机性能取得了巨大的提高。然而,性能过剩带来的浪费与低使用率成了当下计算机科技领域的一大痛点。计算机虚拟化（Virtaization)技术在这样的背景下诞生，就是为了解决上述问题。虚拟化技术是一种软硬件协同工作的方式,它对计算机硬件资源或系统服务进行合理的分化与重组。使同一个硬件设备或系统服务能够服务于不同的应用环境中。现阶段虚拟化技术在很多领域都有很高的实用价值，如云计算机,嵌入式系统等。首先,通过分析研究当前虚拟化技术的研究现状和不足。然后，在此基础上设计并实现了虚拟机通信层Hyperviso Comuniation Lyer(C)
2、，使用跨虚拟机通信的方法,解决了虚拟机之间通信的难题。进而解决了专用设备虚拟化的问题。最后,对HC的特点进行总结并对其发展方向进行了展望。关键词 虚拟化,专用设备驱动,虚拟机通信层，硬件虚拟化,跨系统通信ASTRCTit the contiuosdeveopmen of omtion an mutertchnoog，espeiaythe impvent ofthe adware pailities, teperormace of tecomputer euipent hs been etly nnced. Howeverte wastecausedy theoverualifiedperorm
3、ne has been big paiinthe fie f computer sciec nd chnooy.Vitalizn was bon in thicontet, whichaim to sole above probems. irtualaion isaway to cooperateclsy with ot hadr ad tware,wih ivideanreoranize hardwa rsorces nd sfare vis,atinal.So thatthee aware dvice r stem srie can ere idiern sytem enironents.
4、 At tis sae, virtuaizaion tehnolog hshgh practicalvaue inmany fied,ch s clod omputr an emed systes.First o al， toclaifyt efciency of current viaizatin rserch. ased o th, a HyprvisorCommuniati Layeridegned aipment o sole he probem of comunicatn btw vitual achnes b ugcs viualmach cuncio. Wihhehep pris
5、r Cmmucion Layerthe vitualizaonrlemfor ddicted dvie an besolvdFally, chaceritsofHL are summarized and its dveloentreion aso oecsted.KeyWords Virtualiztion， Deicated deice river, Hyervsr Cmuncaton Layer, Hadare Vtaliation， Cross cmmnication第一章 引 言自摩尔定律提出以来，集成电路上可容纳元器件的数目，约每隔两年就会翻一番,相关硬件设备的性能也将提升一倍。换言
6、之，我们使用同样的价钱，能买到的计算机设备的性能，将每隔两年翻一番。这一定律,揭示了信息技术进步的速度1。到目前为止，这一趋势已经持续了半个多世纪，尽管有放缓的迹象，但是技术进步带来的生产效率的提高是不可逆的。以CPU为例，在21世纪初期,的单核芯片在当时已经属于高端产品例如Inel Petiu 4其生产工艺是18nm，而如今多核高频(.0GH以上)的P芯片已经非常流行例如Inl orei7其生产工艺是14m。以外部存储器为例,20年前大部分计算机的磁盘存储器容量都小于64B,而如今1T容量的高速固态硬盘都已常见。技术与生产力的进步不可避免的带来了性能过剩的问题,大部分应用场景下，计算机设备的
7、使用率较为低下。而虚拟化技术的出现不但提高了计算机硬件设备的使用效率，同时也极大的丰富了计算机系统的功能。1. 虚拟化技术(Viruaation)与虚拟机监视器（Hyperior）概述虚拟化技术(Virtalation）是一种针对计算机资源的管理技术,是将计算机的各种实体资源(CPU,内存，磁盘空间,网络等）和应用服务资源进行抽象,从而打破这类资源的不可分割性。使得用户能以更加高效的方式来分化和重组资源。如图1所示,左边是真实的物理计算机，物理硬件和设备驱动软件都运行与物理计算机上。右边是虚拟计算机，它们可以运行不同的客户操作系统，实际上用户面对的虚拟计算机可能只是一台显示器。但是,由于虚拟化
8、技术的透明特点，每一个虚拟计算机的用户都认为自己独占了物理计算机，并且不知道其他虚拟计算机的存在。图1- 物理计算机虚拟化虚拟化始于20世纪60年代，作为在不同应用程序之间逻辑划分大型计算机提供的系统资源的一种方法。BM公司在当时开发了虚拟机监视器(Virual Machin itor)简称VMM，该组件就是Hyvior的前身2。在虚拟化环境中,perviso提供了一组和物理计算机硬件类似的接口,使得其他操作系统可以像运行在物理计算机上一样运行在ypervo之上。而其他操作系统在Hyperisor上运行的过程被称为操作系统虚拟化。根据虚拟机监视器所运行的环境，将Hypeisor分为两大类型。其
9、中型Hyevsor这些虚拟机监视器直接运行在宿主机（HoMach）的硬件上,通过直接控制宿主机的硬件来管理客户虚拟机（Gues Mchine）的操作系统。II型Hypervio这些虚拟机监视器运行在传统的操作系统上，就像一个普通的计算机程序一样，暂且称之为虚拟机管理程序（VMM)4，虚拟机管理程序通过模拟硬件环境,来加载和运行虚拟机操作系统的。容易看出，这两类Hypeisor最大的区别在于,硬件支持程度和运行效率。I型ypervisr相比与II型来说，能够得到很好的硬件支持，运行效率也会大大提高。图-2是这两种Hevs的对比示意图。图- 两种Hpvsor类型对比虚拟化技术不但能在信息服务领域大
10、幅度的削减企业运营成本，提高运维效率。还能在消费电子领域极大的丰富电子产品的功能。如今,I,AMD,Qalc等业界主流企业都在开发基于X86或AR芯片架构下的硬件虚拟化技术5。虚拟化技术的核心是虚拟机监视器技术,以下简称Hyervisor。所以对yperisor的研究也就成为业界和许多开源社区的研究重点。(1）两类Hperisor方案简介目前I型Hypervio的解决方案，主要有来自开源社区的KVM（Kern ased Reat Enterpis inux中。还有一个更加流行的方案en，它发迹于剑桥大学计算机实验室，目前由ux基金会管理维护,其商业化版本是XenServer。n在02X年发布的
11、第一个版本只支持基于X6架构的PU。随着AM架构的不断发展,ARMv7之后开始支持Hypevso的硬件加速。因此新版本中的Xe也开始支持AM架构的处理器。不仅如此,Xe还可以同时支持Wndow和nu操作系统，所以Xen的出现间接的统一了主流操作系统市场。最后要介绍的QVM,它是QNX Vrtua acin 的缩写,它是I型yperso在商业领域的应用典范,它被广泛的应用于车载电子和其他消费电子领域。QV作为商业项目由加拿大BlackBerr公司开发和授权使用,它主要应用在同样由该公司开发的基于微内核技术的QNNetrino操作系统上。II型Hprvsor解决方案作为虚拟机的管理系统Virtal
12、 achemangr简称VMM，如普通应用软件一般被安装于宿主计算机上。比较常见的有Wndows操作系统上流行的VMWae，支持主流Linx发行版的VrtalBo，以及应用于Mac系统上的Prlels Deskop。II型Hyprviso方案适应面更广，因为其不需要芯片架构层面的支持,所以它能够适配于更多老旧的计算机硬件设备。但是由于缺乏硬件支持，I型pervso运行效率相比I型Hyprior要逊色很多。所有的Hypervsor解决方案，都是针对计算机通用物理资源的虚拟化,例如IO虚拟化(VitIO)，CPU虚拟化(PU),内存虚拟化（vMM)等等。而这些通用的物理资源和具体芯片架构相关,所以
13、I型Hyervisor方案需要得到芯片架构和硬件的支持，才能提高虚拟化的效率和性能。(2）国内发展现状反观国内相关领域的研究还属于起步阶段，尤其是针对I型Hypervisor的研究。因为在芯片设计技术上存在天然的短板，导致对I型Hyervir的研究成果几乎一片空白。而针对II型Hypervor的研究国内已经有一些比较成熟的方案，例如VMLite，它是首个由中国人设计的虚拟机管理系统，它以其免费,轻量级和适应面广的特点,吸引了很多国内外的用户。事实上MLite的早期开发借鉴了当时还是开源项目的VirtualBox的研究成果，同时VMLte也对irtualBo做出了大量的改进。国内在对虚拟化技术研
14、究上的投入不足，但是对部署和使用虚拟化技术拥有很大的热情。所以，国内主要在对虚拟化部署，管理，和虚拟机迁移技术上投入较大,也取得了不错了成绩。1.3 两类Hyperio方案对比研究通过上述对比发现,针对虚拟化技术的研究主要有两大方向，一个是软硬件结合的Hypervisor研究,例如在RMv7架构之后，M引入了一种新的CP模式Hypeisor od简称YPmode，这个模式作为一个新的特权模式,在芯片架构上实现了PU的虚拟化。HYPmde除了共享其他模式的寄存器以外，它还增加了特有的寄存器用于处理虚拟中断（来自或发向客户虚拟机系统的中断）。由于增加了对HP mde的支持，在ARMv7即以后的处理器架构上，用户态和内核态之外又引入Hyperior态的概念即PL2，如图1-所示。当在1态发生虚拟化调用eisorcall简称Y cll，或者需要执行敏感和特权指令时,CPU将陷入2也就是Hpev
