[發(fā)明專利]X86體系結(jié)構(gòu)內(nèi)存管理單元虛擬化方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910043830.1
• 申請(qǐng)日: 2009-07-03
• 公開（公告）號(hào): CN101620573A
• 公開（公告）日: 2010-01-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 易曉東;譚郁松;劉曉建;張衛(wèi)華;戴華東;吳慶波;孔金珠
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F12/08
• 分類號(hào): G06F12/08;G06F12/10;G06F9/455
• 代理公司: 國(guó)防科技大學(xué)專利服務(wù)中心
• 代理人: 郭 敏

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)及操作系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)存管理方法，尤其是X86體系結(jié)構(gòu)的內(nèi)存管理單元(Memory?Management?Unit，MMU)虛擬化方法。

背景技術(shù)

當(dāng)前，計(jì)算機(jī)的處理能力不斷快速提升，而根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，運(yùn)行于其上的服務(wù)軟件在系統(tǒng)空閑時(shí)段往往只用到了不到10％的處理能力，在忙時(shí)也往往用不到50％。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)的能耗不斷加大，電能的消耗已經(jīng)逐漸成為IT業(yè)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(wù)提供商必須使用多臺(tái)服務(wù)器以滿足數(shù)據(jù)備份、冗余容錯(cuò)和服務(wù)的安全隔離等方面的需求，這不僅大大增加了設(shè)備購(gòu)置的資金投入、成倍提高了電能消耗，而且由于大量服務(wù)器的利用率較低，造成了性價(jià)比嚴(yán)重低下。

為了解決這個(gè)問題，人們提出了虛擬化(virtualization)的概念，即通過虛擬機(jī)監(jiān)控器(Virtual?Machine?Monitor，VMM)，對(duì)真實(shí)計(jì)算機(jī)的CPU(Central?Processing?Unit，中央處理單元)、內(nèi)存管理單元MMU和外設(shè)進(jìn)行虛擬化，在一臺(tái)真實(shí)的計(jì)算機(jī)上虛擬出多臺(tái)“虛擬機(jī)(Virtual?Machine，VM)”，每臺(tái)虛擬機(jī)都可分別運(yùn)行一個(gè)操作系統(tǒng)。這樣，就能進(jìn)行服務(wù)器整合(server?consolidation)，即將多臺(tái)服務(wù)器整合為一臺(tái)物理服務(wù)器，從而大大提高服務(wù)器利用率、降低能源消耗和提高安全性與可靠性。在桌面計(jì)算領(lǐng)域，虛擬化技術(shù)使得用戶能夠同時(shí)運(yùn)行多個(gè)不同的操作系統(tǒng)，滿足了用戶對(duì)不同計(jì)算平臺(tái)的需求。

X86計(jì)算機(jī)所裝配的物理內(nèi)存從0開始編址，每個(gè)內(nèi)存單元的地址稱為物理地址(physical?address)，CPU基于物理地址訪問內(nèi)存的不同單元。為了在X86計(jì)算機(jī)上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)，虛擬機(jī)監(jiān)控器中必須包含一個(gè)名為“MMU虛擬化模塊”的組成模塊，由該模塊進(jìn)行內(nèi)存管理單元MMU的虛擬化。當(dāng)前國(guó)際上的MMU虛擬化方法都包括以下步驟：

第一步，為虛擬機(jī)分配物理內(nèi)存，即根據(jù)用戶的配置，將X86計(jì)算機(jī)的物理內(nèi)存劃分為多塊，每一塊內(nèi)存對(duì)應(yīng)一個(gè)虛擬機(jī)。目前有兩種方法實(shí)現(xiàn)物理內(nèi)存分配：第一種方法是借助操作系統(tǒng)提供的內(nèi)存分配接口分配，例如KVM項(xiàng)目(http://www.linux-kvm.org/)，這種分配方法直接調(diào)用操作系統(tǒng)提供的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但不能保證所分配物理內(nèi)存的物理地址的連續(xù)性；第二種方法是在X86計(jì)算機(jī)引導(dǎo)時(shí)預(yù)留出相應(yīng)的物理內(nèi)存，例如Xen項(xiàng)目(http://www.xen.org/)，這種方法能夠保證預(yù)留物理內(nèi)存的物理地址的連續(xù)性，但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。

第二步，為虛擬機(jī)創(chuàng)建E820表。在X86計(jì)算機(jī)中，并非所有的物理內(nèi)存都是可用的。例如，物理地址區(qū)間0xA0000至0xC0000被保留給顯卡的顯示緩沖區(qū)，從而這部分物理內(nèi)存是不可用的。為了描述X86計(jì)算機(jī)的物理內(nèi)存是否可用，X86計(jì)算機(jī)定義了所謂的E820表，E820表中記錄了每一段物理地址區(qū)間對(duì)應(yīng)的物理內(nèi)存是否可用。當(dāng)今所有的操作系統(tǒng)都通過查詢E820表獲得可用內(nèi)存信息，以保證只使用可用物理內(nèi)存。

假設(shè)在第一步中為某個(gè)虛擬機(jī)分配的物理內(nèi)存的物理地址區(qū)間是[M，M+N)，則當(dāng)前國(guó)際上MMU虛擬化方法所構(gòu)建的E820表中將物理地址區(qū)間[0，N)標(biāo)識(shí)為可用內(nèi)存(不考慮其它保留的物理地址區(qū)間)。例如，如果為某虛擬機(jī)分配256MB物理內(nèi)存，則不管這些物理內(nèi)存處于哪個(gè)物理地址區(qū)間，該虛擬機(jī)的E820表中從0開始至256MB的物理地址區(qū)間被標(biāo)識(shí)為可用。

第三步，當(dāng)虛擬機(jī)加載新頁表時(shí)，為其構(gòu)建影子頁表(shadow?page?table)和反向映射(backmap)。X86體系結(jié)構(gòu)MMU虛擬化的核心是分頁(paging)機(jī)制，即將機(jī)器的物理內(nèi)存劃分為若干個(gè)固定大小的內(nèi)存頁(memory?page)，再引入虛擬地址(virtual?address)的概念，并構(gòu)造頁表(page?table)，在頁表中記錄每個(gè)虛擬地址頁所對(duì)應(yīng)的內(nèi)存頁的物理地址(physical?address)。應(yīng)用程序使用虛擬地址來訪問內(nèi)存，CPU通過查找頁表，將對(duì)應(yīng)的虛擬地址轉(zhuǎn)換為真實(shí)的物理地址后完成內(nèi)存訪問。例如，X86體系結(jié)構(gòu)規(guī)定的最小頁大小是4KB，假設(shè)頁表中記錄的虛擬地址頁0x12345000對(duì)應(yīng)的物理地址頁是0x00055000，那么虛擬地址0x12345678經(jīng)該頁表轉(zhuǎn)換后的物理地址是0x00055678。