[發明專利]一種嵌入式虛擬機的實時調度系統

無效

• 申請號: 201110410689.1
• 申請日: 2011-12-12
• 公開（公告）號: CN102541651A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 金海;謝夏;曹杰;曹文治;柯西江;王希斌;岑文峰;趙璐
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06F9/48
• 分類號: G06F9/48;G06F9/455
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明屬于嵌入式虛擬化系統結構領域，具體涉及一種基于Xen?ARM(Xen是劍橋大學的一個開源虛擬機項目，XenARM是其移植到ARM架構上的開源版本)的嵌入式虛擬機的實時調度系統，該系統不僅能夠滿足嵌入式虛擬化系統的豐富應用需求，而且還具有實時性特征。

背景技術

當前嵌入式應用面臨著新的需求，它在之前嵌入式系統滿足基本實時性的基礎上，還必須滿足具有豐富的人機交互應用。傳統的RTOS(實時操作系統)具有高實時、低延遲中斷、高效進程通信的實時性特征，但是它缺少豐富的應用。而傳統的GPOS(傳統意義的通用操作系統、如Windows，Mac?OS等)擁有豐富的UI、完整協議棧等應用接口，但是它缺少實時的調度。因此無論是傳統的RTOS(實時操作系統，如RTLinux，VxWorks等)還是傳統的GPOS都無法獨立滿足最新的需求。當前嵌入式虛擬化技術中Xen?ARM半虛擬化技術通過實現在一臺嵌入式物理機器上同時運行多個虛擬機，分別運行不同類別的操作系統，從而滿足GPOS和RTOS整合的聯合需求，部分解決了上述問題，并且一定程度上減少了嵌入式成本，提高資源利用率，簡化嵌入式系統開發難度，讓更加復雜的系統依賴于更少的硬件，但是其實時調度系統并不能滿足實時系統的需求，經過實踐調研發現，當前主要還存在以下幾個問題：

1.VM計時器不同步

由于Xen?ARM定時器機制與調度系統未能很好的關聯，導致原定時器機制無法保證當前未運行的VM(虛擬機)定時器立即激活并同步，因此在調度運行中可能會錯過一些時間驅動的實時性任務。

2.最壞執行時間需要在虛擬化的條件下修正調整。

最壞執行時間分析與可調度性分析構成了實時系統調度可信的基礎。最壞執行時間分析計算任務執行時間的上界，這些任務的上界用來分配正確的CPU時間給實時任務。最壞執行時間是可調度分析工具的輸入，可調度分析決定了一組任務在一個給定的目標系統下是否可調度。在非虛擬化情況下，原本采用對源程序、中間碼的路徑分析，對機器碼的時間分析方法，但是，由于虛擬化情況下，其他VM調度的干擾以及虛擬資源的性能的影響(如IO等)，最壞執行時間必須進行修正才能做正確的可調度性分析。

3.VMM無法感知VM中的任務信息

在沒有VMM(虛擬機管理器)的實時操作系統中，操作系統內部調度能夠很清楚的知道系統中的任務情況，并根據這些實時任務的信息作出實時調度；但是嵌入式虛擬化情況下，VMM的出現，在利用硬件抽象性能隔離提高資源利用率的同時，也產生了新的問題，VMM無法感知到各VM中的任務的相關信息，由于信息的缺失VMM調度模塊無法根據VM中的任務信息做出全局的正確調度。而此問題上原有的task-aware(任務感知)技術，由于嵌入式系統中MMU(內存管理單元)的是否使用無法確定，不具有普遍適用性，并且在實時系統中task-aware的準確度并不能滿足精度要求，因此如何有效解決此問題是解決嵌入式虛擬化實時調度的基礎。

4.如何及時回收預估過剩的資源

在實時操作系統中，由于時間分配通常是按照問題3中預估的最壞執行時間進行的，所以當一個任務提前完成時，我們必須及時回收多余的時間片，供其他任務使用，在虛擬化環境下這種需求顯得特別的重要，因為在其他的虛擬域中可能有同樣優先級的任務正在等待中，盡早的釋放CPU時間，將會為系統帶來更好的實時性。因此如何在虛擬化環境下，及時回收過剩的資源，并且及時的分配給急需的其他VM任務使用。

5.如何協調VMM和VM內部的層級調度，使實時性能最優.

在虛擬化環境下，任務需要經過兩層調度，才能獲得CPU時間運行，首先任務所在的VM必須首先獲得CPU時間，這里通常為VM分配了N個VCPU(虛擬CPU)，通過對VCPU的調度，到達調度VM的效果，在VM獲得時間片運行后，VM系統內部的進程調度則會成為第二層調度負責對VM內部的任務進行調度。因此在解決上面4個問題之后，我們需要利用這些信息，構建一個層級調度的模型，充分利用VMM對全局信息的掌握以及VM對內部資源的調控，實現對整個虛擬機系統的高實時性。

發明內容

本發明針對嵌入式互聯網對于實時性和應用豐富的新需求，結合服務器虛擬化技術，針對當前實時性能不能滿足需要的缺陷，提出一種嵌入式虛擬機的實時調度系統，該系統使上層VMM中的虛擬機調度器能夠感知各VM中的實時任務，通過響應比優先與EDF算法的結合實現全局任務調度，一定程度上滿足時間驅動任務和事件驅動任務的實時性要求。