[發明專利]基于硬件虛擬化的Xen實時性增強系統及其方法

有效

• 申請號: 201110055461.5
• 申請日: 2011-03-09
• 公開（公告）號: CN102135903A
• 公開（公告）日: 2011-07-27
• 發明（設計）人: 俞培杰;朱旻;高尚;戚正偉;管海兵
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06F9/46
• 分類號: G06F9/46;G06F9/455;G06F9/50
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及的是一種計算機應用技術領域的方法，具體是一種基于硬件虛擬化的Xen實時性增強系統及其方法。

背景技術

虛擬化計算系統展示了新型計算機理論與模式，其發展和應用將會給人類生活和生產的各個領域帶來深遠影響。根據2006年《國家中長期科學與技術發展規劃綱要》，虛擬計算系統被定位于面向國家重大戰略需求的基礎研究層面，是未來科技發展的關鍵和瓶頸問題。

虛擬化技術目前在PC/服務器平臺下已經取得了巨大的成功。虛擬化技術通過高效組織計算資源，隔離具體的硬件體系結構和軟件系統之間的緊密依賴關系，在動態環境中按需構建計算系統虛擬映像，構造可以適應用戶需求的協同普適化任務執行環境，從而實現透明的可伸縮計算系統架構，提高計算資源的使用效率，發揮計算資源的聚合效能，使用戶可以獲得高效、透明、普適、安全的服務。

在PC/服務器平臺下的系統虛擬化的核心思想是使用虛擬化軟件在一臺物理機上虛擬出一臺或多臺虛擬機(Virtual?Machine，VM)。虛擬機是指使用系統虛擬化技術，運行在一個隔離環境中、具有完整硬件功能的邏輯計算機系統，包括客戶操作系統和其中的應用程序。在系統虛擬化中，多個操作系統可以互不影響的地在同一臺物理機上同時運行，復用物理機資源。在系統虛擬化中虛擬運行環境都需要為在其上運行的虛擬機提供一套虛擬的硬件環境，包括虛擬的處理器、內存、設備與I/O及網絡接口等。

隨著嵌入式系統軟硬件設計技術的高速發展，虛擬化技術在嵌入式系統中同樣具有廣闊的應用場景，包括系統并發、軟件功能分離、冗余/負載均衡，安全隔離等等：

但嵌入式設備與PC/服務器相比，有一些不同特點，如硬件資源相對受限、實時響應性要求高等。其中：實時性是虛擬化技術需要面對的最重要的問題之一，在操作系統與硬件之間增加一個虛擬機監控層(Virtual?Machine?Monitor)層，再加上額外的GPOS負載，將影響RTOS程序的實時性能。而當前在服務器和桌面領域廣泛應用的主流虛擬化方案，如Xen，在其設計之初并沒有考慮嵌入式領域的特殊需求，因此在實時性能上表現并不理想。

經過對現有技術的檢索發現，來自美國Georgia?Institute?of?Technology大學的Min?Lee在VEE?2010上發表名為Supporting?Soft?Real-Time?Tasks?in?the?Xen?Hypervisor(在Xen虛擬機上支持軟實時任務)的論文。該技術提出通過對Xen的Credit調度算法的改進，在Xen上實現了對軟實時任務的支持。該技術通過降低軟實時虛擬機的事件處理延遲，并在軟實時虛擬機的Cache喜好性的基礎上減少軟實時虛擬機在不同物理CPU上的遷移開銷，整體提高了軟實時虛擬機的性能與實時性。在物理CPU的任務調度隊列中，該調度算法會根據軟實時虛擬機調度時限將該虛擬機插入到調度隊列中合適的位置，并且在等待調度的過程中，當該軟實時虛擬機接收到針對該虛擬機的事件，其優先級便會進一步提升并進入Boost狀態。

但是該現有技術主要針對軟實時任務，根據任務對延遲的容忍度來安排軟實時任務在隊列中的調度位置，實時任務的時間處理延遲有所增加。同時，該技術不支持實時任務搶占，當有緊急事件來臨時，實時任務不能在第一時間得到響應。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種基于硬件虛擬化的Xen實時性增強系統及其方法，通過為Xen虛擬機平臺的調度算法增加實時客戶虛擬機友好性、事件驅動機制和多實時客戶虛擬機負載平衡等特性，以達到在該平臺上有效支持多實時客戶虛擬機的目的。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明涉及一種基于硬件虛擬化的Xen實時性增強系統，包括：實時客戶虛擬機友好性模塊、事件驅動機制模塊和多實時客戶虛擬機負載平衡模塊，其中：實時客戶虛擬機友好性模塊在客戶虛擬機進行調度時，將該實時客戶虛擬機調整到調度隊列頭部，事件驅動機制模塊允許實時客戶虛擬機在接收到緊急事件請求時搶占當前處理器資源，多實時客戶虛擬機負載平衡模塊將在多個處理器之間動態平衡實時客戶虛擬機的分布，以避免重復搶占帶來的實時客戶虛擬機性能衰退。

所述的實時客戶虛擬機友好性模塊由識別單元和靜態隊列調整單元組成，其中：實時客戶虛擬機識別單元提供該系統對實時客戶虛擬機的識別，并進行相應數據結構的初始化及相應標志位的置位，靜態隊列調整單元在該系統進行周期性的調度隊列排序中，將實時客戶虛擬機排列在隊列首部。