前沿技術(shù)中的虛擬機(jī)和多核

前沿技術(shù)中的虛擬機(jī)和多核第1頁(yè)/共21頁(yè)第九章操作系統(tǒng)前沿技術(shù)9.1虛擬機(jī)技術(shù)9.2面向多核的操作系統(tǒng)技術(shù)9.3面向QoS的操作系統(tǒng)技術(shù)9.4WebOS技術(shù)9.5嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)第2頁(yè)/共21頁(yè)9.1虛擬機(jī)技術(shù)9.1.1概述9.1.2進(jìn)程級(jí)虛擬機(jī)9.1.3系統(tǒng)級(jí)虛擬機(jī)9.1.4硬件體系結(jié)構(gòu)對(duì)虛擬機(jī)的支持9.1.5其他相關(guān)研究第3頁(yè)/共21頁(yè)9.1.1概述虛擬化技術(shù)是追求“應(yīng)用系統(tǒng)需求”與“硬件資源供給”之間相對(duì)均衡、資源利用和配置更為合理的產(chǎn)物。虛擬機(jī)是指通過(guò)軟硬件手段所實(shí)現(xiàn)、仿真物理機(jī)器的運(yùn)行環(huán)境。構(gòu)造和實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的那層軟件常稱為虛擬機(jī)監(jiān)視器，其中所用到的相關(guān)技術(shù)有時(shí)也簡(jiǎn)稱為虛擬機(jī)技術(shù)。第4頁(yè)/共21頁(yè)9.1.1概述

虛擬化技術(shù)得到了眾多軟件廠商的關(guān)注，例如1998年VMware公司成立并推出了VMware系列虛擬機(jī)軟件，同年微軟公司兼并了Connectix公司，推出了自己的虛擬化軟件VirtualPC，并逐步進(jìn)入虛擬機(jī)市場(chǎng)。在開放源碼領(lǐng)域，英國(guó)劍橋大學(xué)發(fā)布了Xen虛擬化軟件，并獲得了IBM、Sun、Novell、Intel、AMD等廠商的支持，成立了XenSource公司。第5頁(yè)/共21頁(yè)9.1.1概述

硬件廠商Intel與AMD也開始從硬件角度增強(qiáng)對(duì)虛擬化的支持。比如，第一代的虛擬化增強(qiáng)包括IntelVirtualizationTechnology(VT-x)和AMD的AMD-V，這兩種技術(shù)都為CPU增加了新的root執(zhí)行模式，可以讓VMM運(yùn)行在root模式下?？蛻舨僮飨到y(tǒng)的狀態(tài)保存在VT-x的虛擬機(jī)控制結(jié)構(gòu)（VirtualMachineControlStructure）或AMD-v的虛擬機(jī)控制塊(VirtualMachineControlBlock)中。第6頁(yè)/共21頁(yè)9.1.2進(jìn)程級(jí)虛擬機(jī)

進(jìn)程級(jí)虛擬機(jī)，這里是指提供與現(xiàn)有系統(tǒng)相同的應(yīng)用程序二進(jìn)制接口，或者提供另外一套完全不同的應(yīng)用程序二進(jìn)制接口的應(yīng)用程序執(zhí)行環(huán)境。前者包括操作系統(tǒng)支持的多程序運(yùn)行環(huán)境以及動(dòng)態(tài)二進(jìn)制優(yōu)化程序，后者包括動(dòng)態(tài)翻譯、模擬器和高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)等。

第7頁(yè)/共21頁(yè)9.1.2設(shè)備控制器系統(tǒng)調(diào)用操作系統(tǒng)系統(tǒng)ISA硬件用戶ISAABI應(yīng)用軟件第8頁(yè)/共21頁(yè)

系統(tǒng)級(jí)虛擬機(jī)虛擬了整個(gè)硬件的體系結(jié)構(gòu)與指令集，可以說(shuō)是物理硬件的完全仿真，也是操作系統(tǒng)視野下的虛擬機(jī)所關(guān)注的重點(diǎn)。

通過(guò)虛擬機(jī)監(jiān)視器程序，在底層硬件硬件平臺(tái)上，或者在宿主操作系統(tǒng)之上運(yùn)行虛擬化軟件，虛擬出多個(gè)客戶操作系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)。根據(jù)虛擬的指令集體系結(jié)構(gòu)是否和原始體系結(jié)構(gòu)相同，系統(tǒng)級(jí)虛擬機(jī)也可以分為兩個(gè)類別，即虛擬的指令集體系結(jié)構(gòu)與宿主系統(tǒng)的指令集結(jié)構(gòu)相同，或者虛擬的指令集結(jié)構(gòu)與宿主的指令集結(jié)構(gòu)不同。

9.1.3系統(tǒng)級(jí)虛擬機(jī)第9頁(yè)/共21頁(yè)

通過(guò)在硬件裸機(jī)和操作系統(tǒng)之間插入虛擬化軟件，可以使得操作系統(tǒng)與原有機(jī)器的ISA分離，可以虛擬出一種新的不同的ISA，或者將原有的一套虛擬出多套，可以運(yùn)行多個(gè)客戶操作系統(tǒng)。9.1.3系統(tǒng)級(jí)虛擬機(jī)硬件“裸機(jī)”虛擬化軟件操作系統(tǒng)應(yīng)用操作系統(tǒng)虛擬機(jī)應(yīng)用主機(jī)VMM客戶第10頁(yè)/共21頁(yè)支持兩個(gè)宿主操作系統(tǒng)的虛擬機(jī)監(jiān)視器

。9.1.3系統(tǒng)級(jí)虛擬機(jī)WindowsLinuxWindows應(yīng)用Linux應(yīng)用VMMx86第11頁(yè)/共21頁(yè)位于宿主操作系統(tǒng)之上的VMM

。9.1.3系統(tǒng)級(jí)虛擬機(jī)本地應(yīng)用Linuxx86PCWindowsVMMWindows應(yīng)用第12頁(yè)/共21頁(yè)

從硬件角度提供對(duì)虛擬機(jī)的支持，就是如何從CPU虛擬化、MMU以及I/O虛擬化等方面來(lái)提供支持。

Intel公司推出了VT虛擬化技術(shù)，包括對(duì)指令集虛擬化支持的VT-x和VT-i技術(shù)，還包括對(duì)I/O設(shè)備虛擬化支持的VT-d技術(shù)。為了支持虛擬化，Intel處理器還增加了在虛擬狀態(tài)下的root和非root兩種工作模式。虛擬機(jī)監(jiān)視器運(yùn)行在root操作模式，而客戶操作系統(tǒng)運(yùn)行在非root操作模式。9.1.4硬件體系結(jié)構(gòu)對(duì)虛擬機(jī)的支持第13頁(yè)/共21頁(yè)AMD公司也推出類似的硬件輔助虛擬技術(shù)Pacific。

IBM提出了服務(wù)器虛擬引擎概念，在硬件虛擬層、操作系統(tǒng)層和虛擬機(jī)管理等多個(gè)方面規(guī)范虛擬機(jī)技術(shù)，并應(yīng)用于其z系列大型機(jī)和p系列服務(wù)器中?；萜找蔡岢隽俗约旱娜龑犹摂M化規(guī)范，從部件虛擬化、集成虛擬化、整體虛擬化三個(gè)層次對(duì)計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行虛擬化。9.1.4硬件體系結(jié)構(gòu)對(duì)虛擬機(jī)的支持第14頁(yè)/共21頁(yè)

虛擬機(jī)遷移。虛擬設(shè)備。虛擬機(jī)與安全。其他研究。9.1.5其他相關(guān)研究第15頁(yè)/共21頁(yè)9.2面向多核的操作系統(tǒng)技術(shù)9.2.1概述9.2.2操作系統(tǒng)對(duì)多核體系結(jié)構(gòu)的支持9.2.3其他相關(guān)研究第16頁(yè)/共21頁(yè)9.2.1概述多核設(shè)計(jì)是提高晶體管效能的最佳手段。引入多核技術(shù)，可以在較低頻率、較小緩存的條件下達(dá)到大幅提高性能的目的。相比大緩存的單核產(chǎn)品，耗費(fèi)同樣數(shù)量晶體管的多核心處理器將具有更出色的效能，同樣在每瓦能耗性能方面，多核設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)也非常明顯。多核技術(shù)是在單個(gè)處理器芯片內(nèi)部集成了多套處理內(nèi)核：每個(gè)處理內(nèi)核具有一套相對(duì)完整的執(zhí)行部件、以及寄存器組和一級(jí)高速緩存等等邏輯單元；各個(gè)內(nèi)核之間還可能會(huì)共享二級(jí)高速緩存和FSB總線控制器等邏輯單元。第17頁(yè)/共21頁(yè)9.2.1概述

傳統(tǒng)處理器結(jié)構(gòu)與雙核處理器結(jié)構(gòu)。

第18頁(yè)/共21頁(yè)9.2.2操作系統(tǒng)對(duì)多核體系結(jié)構(gòu)的支持操作系統(tǒng)在多核處理器上的配置形式。通信機(jī)制。存儲(chǔ)層次及管理

。并行程序與程序并行化。調(diào)度與優(yōu)化。第19頁(yè)/共21頁(yè)9.2.3其他相關(guān)問題核實(shí)現(xiàn)什么樣的指令系統(tǒng)、多核之間采用相同的指令系統(tǒng)還是不同的指令系統(tǒng)，能否運(yùn)行操作系統(tǒng)等