[發明專利]計算機虛擬化系統的PCI設備INTx中斷投遞方法

有效

• 申請號: 201410205359.2
• 申請日: 2014-05-15
• 公開（公告）號: CN103984591A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發明（設計）人: 戴華東;董攀;陳松政;劉曉建;易曉東;王偉;魏立峰;黃辰林;邵立松
• 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: G06F9/46
• 分類號: G06F9/46;G06F9/455
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所 43008
• 代理人: 趙洪;譚武藝

技術領域

本發明涉及計算機虛擬化技術中設備中斷投遞機制和管理方法，具體涉及一種計算機虛擬化系統的PCI設備INTx中斷投遞方法。

背景技術

虛擬化技術已經在計算機領域獲得了廣泛應用，目前的虛擬化技術可以分為兩大類，一類是對單物理機器上的冗余資源通過分區或復用等方式建立多個虛擬機環境，另一類是將多個物理機資源進行整合以建立能力更為強大的統一計算機環境。本發明所述技術內容以及涉及的“虛擬化技術”等名詞一般是面向單一物理計算機系統上的虛擬化。

虛擬化技術給計算機系統引入了一個新的軟件層次(也稱為特權級或運行態)，傳統的計算機系統軟件一般由操作系統和用戶軟件組成，虛擬化的計算機中在操作系統下加入了虛擬機監控器(Virtual?Machine?Monitor,VMM)層，完成對資源隔離管理等工作。從計算機資源組成的角度出發，虛擬化技術構成可以分為三個方面：CPU資源虛擬化、內存資源虛擬化、IO(Input-Output)資源虛擬化。三種技術就是將對應的資源在VMM的管理下以某種隔離方式分配到不同的虛擬機(Virtual?Machine,VM)環境中，使虛擬機中的系統軟件認為它們擁有自己的相應私有資源。經過多年發展，虛擬化技術已經滲透到軟硬件多個領域，在硬件技術上以Intel的VT、Oracle的sun4v、IBM?PowerVM為代表，軟件上有VMware?ESX?server、XEN、KVM、sun4v?hypervisor等許多軟件棧支持。

虛擬化技術實現方面，CPU和內存資源的虛擬化相對簡單。對于CPU，VMM可以進行時間片分割或在CPU數量足夠時將CPU直接分配到各虛擬機；對于內存，VMM可以使用分頁、分段等內存映射技術隔離分配給虛擬機使用。IO資源的虛擬化有其相對特殊性。首先，IO設備數量一般有限，不易做到分時或分段由虛擬機共享使用。第二，IO設備對系統來說是不確定的，因為允許總線上熱拔插事件和故障隱退。第三，標準PCI總線上設備的管理具有較強關聯性，必須一次掃描完成其上所有設備的初始化，VMM難以將不同的設備直接分配到各虛擬機，更難以對設備進行分時分配。第四，IO設備種類繁多，驅動程序的可靠性差，一般交由虛擬機操作系統直接驅動。基于上述原因，VMM多采用模擬共享的方式或前后端服務方式實現IO虛擬化。也就是說，VMM以PCI總線域(或者HOST主橋)的粒度將IO設備分配到某個虛擬機，由該虛擬機對主橋下總線上掛接的各種設備進行驅動管理，再提供服務給其它虛擬機提供虛構的IO設備。計算機上PCI總線域數量有限，一般只有一個，通常的虛擬化技術是把所有IO設備交給一個特殊的虛擬機管理，這個虛擬機稱為控制域或者Domain0，其它虛擬機通過虛擬信道(或模擬方式)使用控制域提供的服務完成自己的IO，這些虛擬機稱為客戶域或者DomainU。

參見圖1所示的不同虛擬機對于磁盤設備的訪問原理圖可知，控制域可以對文件系統(FS)進行直接讀寫并訪問本地磁盤驅動程序。客戶域中沒有真實的IO設備，但是擁有虛擬磁盤，這是虛擬磁盤客戶端驅動程序vdc提供的。客戶域的文件系統操作命令被vdc轉換為通信協議通過域間信道LDC發送到控制域的服務程序vds，vds訪問本地文件系統或磁盤驅動完成訪問請求后，再將返回結果轉換為協議通過域間信道發送給客戶域的vdc驅動，客戶域的讀寫請求最終完成。從圖1可以看出，虛擬IO服務對設備管理的方式較為簡單，設備空間訪問、DMA管理、以及中斷管理等都可以充分利用傳統操作系統的能力完成，不需要額外的機制和代碼。然而這種虛擬IO的方式不但增加IO請求的處理路徑，顯著降低IO性能，而且會將控制域變為IO瓶頸。

為解決上述問題，人們提出了虛擬機直接IO思想，也就是將設備地址空間訪問、DMA管理和中斷管理的權限都開放給客戶域，由客戶域獨占并直接操作設備。