[發明專利]X86計算機虛擬化的物理中斷處理方法

無效

• 申請號: 200910043829.9
• 申請日: 2009-07-03
• 公開（公告）號: CN101620547A
• 公開（公告）日: 2010-01-06
• 發明（設計）人: 易曉東;劉曉建;張衛華;譚郁松;戴華東;吳慶波;孔金珠
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G06F9/455
• 分類號: G06F9/455;G06F13/24
• 代理公司: 國防科技大學專利服務中心
• 代理人: 郭 敏

技術領域

本發明涉及X86計算機體系結構以及操作系統領域的中斷處理方法，尤其是X86計算機虛擬化(virtualization)的物理中斷處理方法。?

背景技術

當前，計算機的處理能力不斷快速提升，而根據相關統計，運行于其上的服務軟件在系統空閑時段往往只用到了不到10％的處理能力，在忙時也往往用不到50％。與此同時，計算機的能耗不斷加大，電能的消耗已經逐漸成為IT業的主要開銷之一。另外，出于安全和可靠等方面的考慮，大量的服務提供商必須使用多臺服務器以滿足數據備份、冗余容錯和服務的安全隔離等方面的需求，這樣不僅大大增加了設備購置的資金投入、成倍提高了電能消耗，而且由于大量服務器的利用率較低，造成了性價比嚴重低下。??為了解決這個問題，人們提出了虛擬化的概念，即通過虛擬機監控器VMM(VirtualMachine?Monitor)，對真實計算機的CPU(Central?Processing?Unit，中央處理單元)、內存和硬件設備進行虛擬化，在一臺真實的計算機上虛擬出多臺“虛擬機VM(VirtualMachine)”，每臺虛擬機都可運行一個操作系統。這樣就能進行服務器整合(serverconsolidation)，即將多臺物理服務器整合為一臺物理服務器，從而大大提高服務器利用率、降低能源消耗和提高安全性與可靠性。在桌面計算領域，虛擬化技術使得用戶能夠同時運行多個不同的操作系統，滿足了用戶對不同計算平臺的需求。?

中斷是硬件設備與操作系統等系統軟件之間通信的主要方式之一，虛擬機監控器需要處理兩種類型的中斷：一是物理中斷(physical?interrupt)，指由X86計算機的真實硬件設備所產生的中斷，包括設備產生的設備中斷和特殊的不可屏蔽中斷NMI(NonmaskableInterrupt)；二是虛擬中斷(virtual?interrupt)，指由虛擬的硬件設備所產生的中斷。在X86計算機中，所有的物理中斷都由可編程中斷控制器PIC(Programmable?InterruptController)統一管理，系統軟件在處理物理中斷時，需要與PIC進行交互，以確保中斷的正確接收和處理，具體的交互方式和內容參見X86體系結構手冊(http://www.intel.com和http://www.amd.com)。中斷處理方法也必須對PIC進行初始化和控制管理。?

當前虛擬機監控器有兩大類體系結構：第一類體系結構的虛擬機監控器是應用程序或內核模塊，實現于操作系統之中；第二類體系結構的虛擬機監控器是最底層的系統軟件或固件，實現在操作系統之下。第一類虛擬機監控器無需處理物理中斷，X86計算機的所有物理中斷由其所在的操作系統進行處理，因此此類虛擬機監控器實現簡單、硬件適配?性好。但是，作為內核模塊實現在操作系統內核中的虛擬機監控器依賴于特定的操作系統，例如KVM只能運行于Linux內核，VirtualPC則只能運行于Windows內核，等等。某些操作系統如Linux的內核接口在版本升級時變化較大，增加了此類虛擬機監控器的升級維護開銷。而作為操作系統的應用程序的虛擬機監控器雖然比較容易實現跨平臺，例如VMware?workstation、Qemu、VirtualBox等產品均能夠在Linux和Windows等多平臺上運行，但此類產品無法使用CPU等硬件提供的虛擬化支持功能，性能和功能都受到了較大的限制。?

第二類虛擬機監控器運行在操作系統之下，自身實現了物理中斷處理功能。此類虛擬機監控器是最底層的系統軟件，能夠對計算機資源進行更為底層和更為細膩的控制，并能夠對運行于其上的操作系統進行管理和控制。此外，該類虛擬機監控器還能夠對計算機系統的物理資源進行粗粒度的劃分和管理，這在服務器領域是非常有用的功能，特別是對大規模服務器。作為代價，此類虛擬機監控器需要對與物理中斷處理相關的X86計算機硬件進行初始化和控制、以及物理中斷處理等工作，實現復雜度要比第一類產品高得多，同時必然導致整個系統硬件適配性的降低。此類虛擬機監控器產品主要有Xen和VMware?ESX?Server等。?