嵌入式虛擬機(jī)管理器內(nèi)存虛擬化方法研究

龍怡清

摘? 要：隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件以及軟件的應(yīng)用更加多元化，嵌入式虛擬機(jī)管理技術(shù)就是其中一個(gè)比較典型的使用案例?？蛻舨僮飨到y(tǒng)順暢運(yùn)行離不開(kāi)嵌入式虛擬機(jī)管理器，需應(yīng)用嵌入式虛擬機(jī)管理器對(duì)硬件資源（3種硬件資源）虛擬化，而支持虛擬內(nèi)存的客戶操作系統(tǒng)則需要對(duì)CPU存儲(chǔ)管理單元頁(yè)表虛擬化。該文主要研究的是NXP公司的PowerPC架構(gòu)處理器，以此為例來(lái)詳細(xì)地說(shuō)明CPU的存儲(chǔ)管理單元以及管理方法，從而提出CPU的存儲(chǔ)管理單元虛擬化的需求。從5個(gè)典型性虛擬機(jī)管理器軟件的內(nèi)存虛擬化研究方案中可得出虛擬化問(wèn)題的有效解決方案，此方案包括軟件影子頁(yè)表、硬件支持特性，軟硬件結(jié)合中的多種方案，能進(jìn)一步解決CPU存儲(chǔ)管理單元（MMU）頁(yè)表虛擬化問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：嵌入式虛擬機(jī)管理器? 客戶OS? MMU頁(yè)表? 內(nèi)存虛擬化? 影子頁(yè)表

中圖分類號(hào)：TP316 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）02（c）-0014-02

嵌入式虛擬機(jī)管理器是一款運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上的軟件，在該管理器上面又同時(shí)可以運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)，不同的操作系統(tǒng)運(yùn)行在不同的區(qū)域，這樣就方便管理。主要的功能實(shí)現(xiàn)就是將物理硬件映射給客戶操作系統(tǒng)來(lái)使用，讓客戶操作系統(tǒng)有一種在真實(shí)的硬件上面運(yùn)行的感覺(jué)，要想達(dá)到這個(gè)目的并非簡(jiǎn)單，總共需要對(duì)于三大類型的硬件設(shè)備進(jìn)行虛擬化操作。第一類就是CPU核，在一個(gè)原始的物理CPU核上面進(jìn)行操作，就可以同時(shí)映射出多個(gè)邏輯CPU核來(lái)供客戶操作系統(tǒng)使用，其中的重要步驟在于對(duì)原始物理CPU核的時(shí)間分割，分割為多個(gè)時(shí)間片段來(lái)執(zhí)行不同的任務(wù)，讓不同的邏輯CPU核可以占用物理CPU和上周期內(nèi)的不同時(shí)間片段，就可以感覺(jué)到多個(gè)操作系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行。第二類就是內(nèi)存，虛擬化內(nèi)存技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)物理內(nèi)存的分劃，不同的分區(qū)肯定不能使用同一個(gè)分區(qū)，這必然造成數(shù)據(jù)信息的混亂，出現(xiàn)安全事故，因此物理內(nèi)存的分劃確保數(shù)據(jù)安全性。第三類就是設(shè)備，IO設(shè)備是被多個(gè)分區(qū)共同分享的，所以也需要對(duì)于各種IO設(shè)備進(jìn)行虛擬化。

1? MMU硬件管理方法概述

1.1 MMU硬件

嵌入式領(lǐng)域在目前來(lái)看使用的比較主流的處理器架構(gòu)主要有ARM、X86、PowerPC等。MMU是在CPU內(nèi)部集成的一個(gè)硬件邏輯單元，可以提供4種主要的功能：MMU可以實(shí)現(xiàn)將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，當(dāng)MMU關(guān)閉時(shí)，邏輯地址是等同于物理地址的;MMU同時(shí)還提供了讀寫保護(hù)，不同的用戶被分配到不同的權(quán)限，也可以相同，然后不同的權(quán)限對(duì)應(yīng)著不同的區(qū)域，這樣就實(shí)現(xiàn)了資源的權(quán)限控制。

PowerPC架構(gòu)處理器可以同時(shí)支持3種類型的MMU轉(zhuǎn)換模式：利用TLB將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址的頁(yè)地址轉(zhuǎn)換模式;邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址的塊地址轉(zhuǎn)換模式（充分利用BAT寄存器進(jìn)行的塊地址轉(zhuǎn)換模式）;平板映射模式（禁止地址轉(zhuǎn)換）。

由于并不是所有的處理器都支持MMU，并且就算硬件滿足條件，也有可能操作系統(tǒng)不支持虛擬內(nèi)存，在這種情況下就只能采取平板映射模式。但需要注意的是，塊地址轉(zhuǎn)換只用于部分處理器。

1.2 MMU管理方法

NXP公司的核心架構(gòu)處理器經(jīng)歷了比較漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程，其硬件結(jié)構(gòu)隨之不斷地發(fā)生著改變，硬件的功能基本保持不變，穩(wěn)定性能越來(lái)越好，主要就是實(shí)現(xiàn)邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換和保護(hù)工作。MMU對(duì)于存儲(chǔ)管理機(jī)制的實(shí)現(xiàn)支持主要有兩種方式，分別是塊地址轉(zhuǎn)換形式和MMU頁(yè)表形式。其中塊地址轉(zhuǎn)換形式的內(nèi)存為128kB，是最小內(nèi)存塊。

TLB是存在于內(nèi)存中的非常重要的一塊區(qū)域，主要用于存放MMU頁(yè)表?？梢杂脕?lái)保護(hù)經(jīng)常使用的頁(yè)表項(xiàng)，MMU頁(yè)表加載之后就會(huì)進(jìn)入到緩存，頻繁的改變就可以得到TLB表項(xiàng)，這個(gè)替換的過(guò)程是非常復(fù)雜的，一方面只有硬件的支持才能很好地完成，另一方面還需要優(yōu)秀的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。大內(nèi)存塊常用BAT且地址不會(huì)因映射關(guān)系的改變而頻繁改變地址轉(zhuǎn)換。

1.3 MMU虛擬化需求

虛擬機(jī)管理器可以運(yùn)行多個(gè)客戶操作系統(tǒng)，如果客戶操作系統(tǒng)是基于虛擬化的，那么客戶操作系統(tǒng)處于用戶態(tài)時(shí)，沒(méi)有辦法對(duì)于MMU的空間進(jìn)行管理，所以，在客戶操作系統(tǒng)上面抽象了一個(gè)適配層，如果該適配層可以很好地支持MMU的虛擬化功能，則是非常完美的實(shí)現(xiàn)。MMU虛擬化主要實(shí)現(xiàn)了3個(gè)功能：一是實(shí)現(xiàn)了客戶操作系統(tǒng)物理內(nèi)存地址到主機(jī)物理內(nèi)存地址的完美轉(zhuǎn)換;二是設(shè)置了內(nèi)存的權(quán)限管理，最大程度地避免內(nèi)存的泄露;三是將客戶頁(yè)表已訪問(wèn)的信息進(jìn)行緩存，方便下次直接使用。

2? MMU虛擬化方法分析

2.1 XEN內(nèi)存虛擬化方法

英國(guó)劍橋大學(xué)是XEN誕生地，人們通過(guò)不懈地鉆研，發(fā)現(xiàn)X86架構(gòu)處理器與內(nèi)存虛擬化有重要關(guān)系，通過(guò)它發(fā)現(xiàn)了一種優(yōu)秀的內(nèi)存虛擬化方法。客戶操作系統(tǒng)可以直接對(duì)硬件頁(yè)表進(jìn)行讀操作，而更新操作則必須要有XEN的參與，如果頻繁的陷入XEN，將會(huì)有較大的開(kāi)銷，因此可以使用隊(duì)列的結(jié)構(gòu)來(lái)分批地對(duì)這些操作進(jìn)行確認(rèn)，這樣就可以在一定程度上降低開(kāi)銷。

X86影子模式、X86直接模式是XEN對(duì)MMU硬件虛擬化的主要方式。X86影子模式主要就是客戶操作系統(tǒng)維護(hù)客戶頁(yè)表，因此會(huì)產(chǎn)生客戶操作系統(tǒng)的影子頁(yè)表，這個(gè)影子頁(yè)表由XEN來(lái)幫忙維護(hù)。MMU硬件能進(jìn)行該頁(yè)表訪問(wèn)，在訪問(wèn)的同時(shí)也可以訪問(wèn)客戶頁(yè)表、影子頁(yè)表，并且能進(jìn)行信息的有效傳遞。

X86直接模式主要就是客戶操作系統(tǒng)維護(hù)客戶頁(yè)表，MMU可以訪問(wèn)客戶頁(yè)表，客戶操作系統(tǒng)需要在XEN上面對(duì)于客戶頁(yè)表進(jìn)行注冊(cè)，頁(yè)表基地址的改變可通過(guò)Linux客戶操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，但XEN需在提交頁(yè)表之前確認(rèn)，頁(yè)表的更新也離不開(kāi)XEN的陷入，并仿真寫操作。

2.2 ViMo內(nèi)存虛擬化方法

韓國(guó)電子通信研究院設(shè)計(jì)的ViMo被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信領(lǐng)域，能支持建立在ARM基礎(chǔ)上的架構(gòu)處理器的全虛擬化技術(shù)。其主要把地址空間分為物理地址、機(jī)器地址、虛擬地址。毫無(wú)疑問(wèn)虛擬地址是由客戶操作系統(tǒng)來(lái)使用的，物理地址則是主要作為客戶操作系統(tǒng)的物理地址，機(jī)器地址主要由ViMo來(lái)進(jìn)行維護(hù)，每個(gè)虛擬機(jī)都有自己的機(jī)器地址，這段地址比較特別，具有物理上的連續(xù)性，使用起來(lái)非常的方便，一旦虛擬機(jī)進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)，這段地址可以會(huì)被分配給其他的虛擬機(jī)使用。

2.3 KVM/ARM內(nèi)存虛擬化方法

KVM/ARM是第一個(gè)全系統(tǒng)的ARM虛擬化解決方案，工作原理為ARM架構(gòu)處理器，簡(jiǎn)言之是在多核的ARM上面運(yùn)行原生客戶的操作系統(tǒng)。虛擬地址的訪問(wèn)權(quán)對(duì)于客戶操作系統(tǒng)以及內(nèi)核都至關(guān)重要，并且它們同時(shí)訪問(wèn)的時(shí)候不能相互產(chǎn)生影響，所以內(nèi)存虛擬化勢(shì)在必行。對(duì)于真實(shí)的物理內(nèi)存而言，內(nèi)核擁有著絕對(duì)的訪問(wèn)控制權(quán)限，而客戶操作系統(tǒng)則需要通過(guò)內(nèi)核才能訪問(wèn)。要想實(shí)現(xiàn)這樣的需求就需要增加其他的內(nèi)存虛擬化層，這樣客戶操作系統(tǒng)就可以訪問(wèn)內(nèi)存的虛擬化層。KVM/ARM的內(nèi)存虛擬化方法比較特別，為了實(shí)現(xiàn)客戶虛擬地址和客戶物理地址之間的映射，這個(gè)任務(wù)由客戶操作系統(tǒng)來(lái)完成。內(nèi)核的虛擬地址映射到真實(shí)的物理地址的原理是客戶物理地址映射到內(nèi)核虛擬地址。

2.4 NOVA內(nèi)存虛擬化方法

NOVA是由德國(guó)的一所大學(xué)操作系統(tǒng)研究小組設(shè)計(jì)的，基于Intel VT-x的支持全虛擬化的微內(nèi)核架構(gòu)虛擬機(jī)管理器。以下4種類型為內(nèi)存的基本類型。

（1）HVA：由NOVA分配，在打開(kāi)MMU時(shí)候的地址。

（2）HPA：有物理平臺(tái)提供，關(guān)閉MMU時(shí)候的地址。

（3）GPA：由NOVA分配給客戶操作系統(tǒng)，客戶操作系統(tǒng)在關(guān)閉MMU時(shí)候的地址。

（4）GVA：由客戶操作系統(tǒng)分配，客戶操作系統(tǒng)在打開(kāi)MMU時(shí)候的地址。

一般GPA等同于HVA。由于處理器支持嵌套分頁(yè)，便可以運(yùn)用硬件提供的特性更好地完成內(nèi)存的虛擬化。需注意的是，處理器不支持嵌套分頁(yè)特性就需要使用vTLB算法，進(jìn)而填充和刷新影子頁(yè)表。

2.5 MobiVMM內(nèi)存虛擬化方法

韓國(guó)大學(xué)和微軟亞洲研究院聯(lián)合開(kāi)發(fā)的MobiVMM內(nèi)存虛擬化方法，適用范圍為消費(fèi)電子領(lǐng)域，能有效解決資源受限、實(shí)時(shí)支持、功能高效管理。主要的設(shè)計(jì)方案就是MobiVMM和客戶操作系統(tǒng)共享一個(gè)地址空間，在共享空間時(shí)會(huì)把4GB空間里最高的32MB留置于MobiVMM，因此切換MobiVMM時(shí)，不用刷新TLB、Cache，一定程度上節(jié)省了大量的人力、物力、財(cái)力。

3? MMU頁(yè)表虛擬化方案

3.1 軟件方案

在軟件方案選擇時(shí)需影子頁(yè)表、其變體二選一，原因在于它們虛擬化能力較強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)MMU頁(yè)表虛擬化。工作主要機(jī)制為對(duì)原始CPU分頁(yè)，GVA到GPA的映射不可或缺，維護(hù)主要是由客戶操作系統(tǒng)的客戶頁(yè)表完成，HVA到HPA的映射關(guān)系非常重要，維護(hù)主要是由虛擬機(jī)管理器的主機(jī)頁(yè)表完成，影子頁(yè)表主要用于維護(hù)GVA到HPA的映射關(guān)系。

3.2 硬件支持

硬件條件支持有了一定基礎(chǔ)，便可利用這些基礎(chǔ)的特性進(jìn)行MMU頁(yè)表虛擬化。其中的技術(shù)要點(diǎn)在于在硬件上引入另一個(gè)分頁(yè)級(jí)別，客戶操作系統(tǒng)來(lái)控制64位以及32位的頁(yè)表事件，虛擬機(jī)管理器控制擴(kuò)展頁(yè)表，CPU則是使用擴(kuò)展頁(yè)表和客戶頁(yè)表。

3.3 軟硬件結(jié)合

基于軟硬件結(jié)合的MMU頁(yè)表虛擬化解決方案，是根據(jù)虛擬機(jī)管理器所支持處理器的虛擬化特性生成的，需注意的是當(dāng)處理器具有類似EPT特性時(shí)，可直接選擇MMU頁(yè)表虛擬化方案，如不支持則可采用類似影子頁(yè)表、其變體二選一的軟件MMU頁(yè)表虛擬化方案。

4? 結(jié)語(yǔ)

對(duì)嵌入式虛擬機(jī)管理器內(nèi)存虛擬化方法的研究，有利于解決各種虛擬化問(wèn)題，對(duì)于客戶操作系統(tǒng)的虛擬化需結(jié)合MMU頁(yè)表進(jìn)行。解決方案包括軟件解決方案、硬件支持方案、軟硬件結(jié)合解決方案。

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