實時響應的嵌入式系統(tǒng)虛擬化微內(nèi)核架構(gòu)分析

關(guān)鍵詞：實時響應；嵌入式系統(tǒng)；虛擬化微內(nèi)核架構(gòu)

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）26-0031-04開放科學（資源服務）標識碼（OSID） ：

0 引言

隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，各種先進的技術(shù)被應用于各個領(lǐng)域，其中，嵌入式虛擬技術(shù)由于具備諸多方面的優(yōu)勢，故在軟件和系統(tǒng)開發(fā)中被廣泛應用。相較于傳統(tǒng)技術(shù)，此項技術(shù)可以滿足用戶的多元化要求，具有高度集成特點。因此，研究此項課題，具有十分重要的意義。

1 實時響應的嵌入式系統(tǒng)虛擬化微內(nèi)核架構(gòu)

主機微內(nèi)核和用戶級環(huán)境，屬于整體架構(gòu)的重要內(nèi)容，其中，前者屬于組件，其在運行過程中，所處環(huán)境為最高權(quán)限級別，為保證系統(tǒng)安全，該組件將與安全性無關(guān)的特性刪除，僅將調(diào)度器和內(nèi)存管理保存，兩種特性關(guān)系到運行安全。因此主機微內(nèi)核組件的存在，使系統(tǒng)在信任計算方面的條件減少。在查閱文獻后得知，系統(tǒng)附加服務，是用戶環(huán)境的重要組成部分，其本質(zhì)上屬于一種運行模式。

本文所研究的微內(nèi)核架構(gòu)，以半虛擬化方案為基礎，簡言之，就是對來賓操作系統(tǒng)進行修改，使其成為虛擬處理器或顯示地調(diào)用hypervisor，為特權(quán)操作處理創(chuàng)造有利的條件。在架構(gòu)中，各虛擬機均具有托管作用，負責半虛擬化操作系統(tǒng)或用戶應用程序軟件的映像，各映像地址空間獨立，且執(zhí)行媒介均為虛擬硬件。接下來，本章節(jié)會對內(nèi)核架構(gòu)進行簡單的分析。

1.1 內(nèi)存管理

內(nèi)存管理是指軟件運行階段，計算機內(nèi)存資源分配和使用的技術(shù)，其作用為高效分配、釋放和回收內(nèi)存資源。在虛擬化微內(nèi)核架構(gòu)中，內(nèi)存特權(quán)級別分為三個，1） host，用于滿足虛擬機監(jiān)視器的存儲需求；2）guest kenel，對來賓操作內(nèi)核進行存儲；3） guest user，存儲應用程序，其涉及的主體為用戶系統(tǒng)。就實際情況而言，在內(nèi)存管理期間，各虛擬機均會建立與之相匹配的頁表，且各頁表之間相互獨立，且表內(nèi)信息的訪問權(quán)限非常高，如果利用虛擬機無法訪問。同時，為提升信息存儲的安全性，該架構(gòu)內(nèi)存管理單元功能完善，可以防止用戶利用軟件片段，對guest kernel進行訪問，因此，有助于保證系統(tǒng)安全。此外，結(jié)合半虛擬化概念，該架構(gòu)中的來賓操作系統(tǒng)，可以向虛擬機監(jiān)視器發(fā)送超啟動信號，更新頁表映像[1]。

1.2 調(diào)度器

實時調(diào)度技術(shù)已經(jīng)成為虛擬化系統(tǒng)構(gòu)建中應用廣泛的技術(shù)，為提升調(diào)度器的可靠性，需要結(jié)合架構(gòu)情況，開展額外的調(diào)度器計算。同時，在以服務器為基礎的調(diào)度器，被應用于RT-XEN（一種基于Xen的分層的單核實時調(diào)度框架RT-Xen） 以及其他微內(nèi)核中，為保證調(diào)度器的應用效果，優(yōu)化舊調(diào)度接口尤為關(guān)鍵。如果用戶在操作時，需要設計時間表，且該時間表能夠正常運行，此時，將原始調(diào)度任務作為依據(jù)，完成實時任務的設置，是虛擬機監(jiān)視器的主要功能。以上操作的實現(xiàn)，有利于使系統(tǒng)運行負載下降，最終達成簡化系統(tǒng)內(nèi)核的目的。虛擬機監(jiān)視器調(diào)度器在應用過程中，以后臺調(diào)度理念為基礎，在高優(yōu)先級任務執(zhí)行完畢空閑時間內(nèi)，執(zhí)行低優(yōu)先級任務，在避免低優(yōu)先級任務對高優(yōu)先級任務的執(zhí)行造成干擾的同時，提高任務的執(zhí)行效率。

基于優(yōu)先級的搶占式循環(huán)調(diào)度策略如圖2所示。此外，一般情況下，一般用途操作系統(tǒng)的優(yōu)先級高于實時操作系統(tǒng)，若兩個操作系統(tǒng)處于同一優(yōu)先級，只要一般用途操作系統(tǒng)準備運行，則實時操作系統(tǒng)的運行中央處理器必然被搶占，致使觸發(fā)實時操作系統(tǒng)運行的調(diào)度程序中，定時器節(jié)拍與系統(tǒng)出現(xiàn)中斷情況?，F(xiàn)階段，為降低優(yōu)先級問題對實時調(diào)度系統(tǒng)正常運行產(chǎn)生的影響，工作人員可以通過優(yōu)化調(diào)度策略，使用準確傳遞定時器方式，避免實時操作系統(tǒng)的調(diào)度運行通路被堵塞[2]。

1.3 定時器

實時操作系統(tǒng)調(diào)度器在運行過程中，需要對特定任務能否執(zhí)行加以明確，此項目標的實現(xiàn)，主要將定時器tick數(shù)作為依托，與此同時，在系統(tǒng)中，虛擬機監(jiān)控器起到了關(guān)鍵作用，不僅具有管理功能，還能滿足來賓操作系統(tǒng)的需求，管理對象為定時器，除對其進行管理外，還能根據(jù)需求，采取有效的措施訪問定時器，常用的手段為捕獲和超調(diào)。盡管上述操作難度偏低，但是在系統(tǒng)實際運轉(zhuǎn)過程中，系統(tǒng)管理程序的存在，會使依托定時器運轉(zhuǎn)的系統(tǒng)性能開銷有所提高。同時，在虛擬機定時器的解析受到管理程序定時器周期限制的情況下，系統(tǒng)的運行狀況將出現(xiàn)問題?，F(xiàn)階段，為提高實時操作系統(tǒng)的可調(diào)度性，需要開展高精度定時器虛擬工作。

定時器虛擬化實現(xiàn)的方法如下：

1） 需要為系統(tǒng)建立系統(tǒng)定時器、一般用途操作系統(tǒng)和實時操作系統(tǒng)三個獨立的物理定時器，其中，系統(tǒng)定時器可以被應用于主機系統(tǒng)當中，依托微內(nèi)核系統(tǒng)進行訪問，用于操作系統(tǒng)的計時器與其他虛擬機共享。

2） 賦予虛擬機直接訪問和編寫定時器的權(quán)限，不會被管理程序所限制。同時，保證來賓操作系統(tǒng)映射被存儲到內(nèi)存空間當中。同時，來賓操作系統(tǒng)不僅可以訪問分配給他的定時器，還能實現(xiàn)定時器自由配置，完成對定時器周期、間隔值等參數(shù)的調(diào)整。

3） 虛擬化一般用于操作系統(tǒng)中的計時器，在應用過程中有著諸多功能，可以為模擬工作的開展，創(chuàng)造有利的條件。

1.4 中斷虛擬化

在該架構(gòu)中的虛擬中斷通用控制器，可以被用于系統(tǒng)中斷控制。具體來說，在系統(tǒng)實際運轉(zhuǎn)過程中，虛擬機監(jiān)視器可以為系統(tǒng)生成虛擬中斷信號，在中斷信號發(fā)出后，為保障來賓操作系統(tǒng)能夠繼續(xù)原本的中斷處理過程，架構(gòu)中的虛擬中斷通用控制器被設置成與虛擬寄存器物理性質(zhì)相類似的中斷通用控制寄存器，虛擬中斷通用控制器在運行時，可以存儲每個虛擬機的虛擬中斷狀態(tài)，并結(jié)合中斷狀態(tài)，對中斷通用控制器的行為狀態(tài)加以模擬。

在生成物理中斷的情況下，虛擬機監(jiān)視器處理程序的作用會被充分發(fā)揮，其作用為生成虛擬終端，其所處位置是通用控制器內(nèi)，之后，插入虛擬器后，虛擬機會自動跳轉(zhuǎn)。值得注意的是，各虛擬機在進入中斷狀態(tài)后，各虛擬機具有一致性的特點，但彼此之間相互獨立，即使某個虛擬機出現(xiàn)異常無法正常運行，其他虛擬機也不會受到影響，并且，在出現(xiàn)物理中斷現(xiàn)象后，其數(shù)據(jù)信息會被其他虛擬機所收集。

1.5 虛擬機間通信

實時響應的嵌入式系統(tǒng)虛擬化微內(nèi)核架構(gòu)中，可以將微內(nèi)核進程通信視為虛擬機之間的通信。在操作階段，工作人員可以采取有效通信方式，對同步進程通信模型加以替換，以解決傳統(tǒng)方式存在的弊端，研究結(jié)果表明，使用異步通信方式的效果顯著，能夠?qū)νㄐ胚^程加以優(yōu)化，降低通信工作的復雜度?；诖耍ぷ魅藛T在本次架構(gòu)設計工作中，提出了一種基于中斷請求的虛擬機間通信機制，在實際工作過程中可以依托虛擬機監(jiān)視器，使異步虛擬機通信需求被有效滿足。在實際工作階段，各虛擬機均擁有內(nèi)存頁，且這個內(nèi)存頁具有共享性。工作人員可以將監(jiān)視器和端口作為起點，對內(nèi)存頁進行訪問。在通信發(fā)送和接收階段，僅需將簡單的讀寫指令使用內(nèi)存執(zhí)行即可，在發(fā)送后，虛擬機會將信息帶入共享區(qū)，由監(jiān)視器通知接收方虛擬機，由其讀取信息即可，故傳輸效率極高。由于上述流程屬于異步流程，因此，這一技術(shù)方法在應用時的速度，快于單純L4微內(nèi)核（L4微內(nèi)核屬于操作系統(tǒng)內(nèi)核的一種）[3]。

1.6 共享內(nèi)存區(qū)

以來賓操作系統(tǒng)為切入點而言，關(guān)系到特權(quán)訪問的權(quán)限，所處位置均為虛擬監(jiān)視器，若系統(tǒng)對資源的訪問頻率較高，系統(tǒng)會因需要大量開展超調(diào)用工作，而出現(xiàn)較大的開銷。為解決上述問題，在設置實時響應的嵌入式系統(tǒng)虛擬化微內(nèi)核架構(gòu)時，可以設置虛擬機監(jiān)視器和內(nèi)存區(qū)，值得注意的是，內(nèi)存區(qū)具有共享性的特點，其中，系統(tǒng)對虛擬資源予以訪問時，可以將內(nèi)存機作為基礎，而不需要反復開展超調(diào)用工作，開銷會隨之減少。就實際情況而言，來賓操作系統(tǒng)訪問的資源主要包括兩類，分別為多個寄存器組成的資源和虛擬中斷控制器，該寄存器包括原狀態(tài)寄存器與保存程序狀態(tài)寄存器兩部分組成。在實踐中，寄存器與虛擬中斷控制器內(nèi)容，均在共享內(nèi)存區(qū)域被存儲。其中，寄存器的超調(diào)用信號，能夠被宏代碼所取代。此外，系統(tǒng)運行階段，可基于宏完成一系列的操作，操作載體為寄存器。在上述操作完成后，共享內(nèi)存中的內(nèi)容會發(fā)生轉(zhuǎn)化，變?yōu)樘摂M寄存器讀寫進程。虛擬機監(jiān)視器在必要情況下，可以實現(xiàn)對程序狀態(tài)寄存器與虛擬寄存器狀態(tài)的調(diào)整。

2 基于seL4構(gòu)建的嵌入式虛擬化系統(tǒng)

2.1 基于seL4的微內(nèi)核架構(gòu)

seL4微內(nèi)核屬于操作系統(tǒng)內(nèi)核，是L4微內(nèi)核家族中最先進的成員。其應用優(yōu)勢在于可以通過微應用程序提供訪問控制模型的方式，提高系統(tǒng)的安全性能基礎，從嵌入式系統(tǒng)的角度看，以seL4微內(nèi)核為基礎，所構(gòu)建的虛擬機管理器，具有諸多方面的優(yōu)勢，具體為隔離和授權(quán)功能，所針對的對象為軟件組件，故有利于增強組件之間通信控制效果，并實現(xiàn)提高系統(tǒng)運轉(zhuǎn)安全性的目的。如圖3所示為基于seL4微內(nèi)核架構(gòu)的實時響應的嵌入式系統(tǒng)虛擬化系統(tǒng)架構(gòu)。

2.2 嵌入式虛擬化系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.2.1 Hypervisor軟件架構(gòu)

在研究實時響應的嵌入式系統(tǒng)虛擬化微內(nèi)核架構(gòu)的應用性能時，可以綜合應用Chcore微內(nèi)核與虛擬化技術(shù)，Chcore微內(nèi)核操作系統(tǒng)屬于一種以微內(nèi)核操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為基礎的系統(tǒng)，同時，為提高系統(tǒng)軟件性能指標測試工作的可靠性，需要將硬件虛擬加速技術(shù)融入系統(tǒng)當中，基于Chcore構(gòu)建的虛擬機管理器系統(tǒng)如圖4所示。其中，分析架構(gòu)虛擬層添加后，主要由3 層異常級別組成，其中，EL1層屬于用戶功能模塊所處位置。內(nèi)核態(tài)功能模塊處于系統(tǒng)的EL1、EL2層當中，因此，在構(gòu)建模擬分析系統(tǒng)時，須提高各層數(shù)據(jù)集操作接口管控情況的關(guān)注度[4]。在圖4中，增加的虛擬化部分主要由陰影顯示，因為所采用的設計思路以內(nèi)核態(tài)跨層為主，使ARM提供支持被充分發(fā)揮，可以在最大限度上完成對微內(nèi)核的優(yōu)化。

2.2.2 Hypervisor組件構(gòu)成

基于上文所研究的架構(gòu)，需要做好相關(guān)組件的設計工作，如圖5所示。在觀察圖5后得知，其組件分別由以下部分組成：

1） 虛擬機創(chuàng)建、配置和管理；

2） 滿足客戶操作系統(tǒng)虛擬機需求的調(diào)度器；

3） 創(chuàng)建物理地址的虛擬內(nèi)存管理；

4） 各異常級別的虛擬中斷異常處理，若操作系統(tǒng)在其他因素的影響下陷入異常，該組件可以實現(xiàn)對外部設備和虛擬機之間通信的處理。

在Hypervisor系統(tǒng)中異常級別為EL1、EL0的虛擬化模塊功能較為相似，以便保證系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)過程中，能夠最大限度在用戶態(tài)中生成代碼功能，減少微內(nèi)核所承擔的任務。同時，為提高運轉(zhuǎn)效率，在系統(tǒng)設計階段，系統(tǒng)內(nèi)核部分所保留的功能以基礎功能為主，其余功能需要在系統(tǒng)處于用戶態(tài)的情況下，開展測試分析[5]。

2.3 嵌入式虛擬化系統(tǒng)的功能

2.3.1 Hypervisor 功能測試

在驗證實時響應的嵌入式系統(tǒng)虛擬化微內(nèi)核架構(gòu)的Hypervisor功能的過程中，構(gòu)建的驗證硬件環(huán)境為Hikey970，系統(tǒng)開發(fā)板如圖6所示。從圖中可以看出，Hikey970環(huán)境共有8個中央處理器，可以實現(xiàn)負載的均衡處理，在性能測試環(huán)節(jié)，工作人員需要先關(guān)閉處理器的動態(tài)均衡調(diào)度機制，然后在0號中央處理器處，開啟多個虛擬機，觀察虛擬機能否正常執(zhí)行任務，從而達到驗證系統(tǒng)功能的目的。

虛擬啟動的狀態(tài)情況，如圖7所示，在觀察圖7后得知，在同時開啟7臺虛擬機的情況下，虛擬機的任務均能正常執(zhí)行，輸出taskl。

在查看系統(tǒng)調(diào)度日志后，發(fā)現(xiàn)各編號的虛擬機均能在0號中央處理器上時分復用，如圖7所示。

2.3.2 Hypervisor性能分析

為了解系統(tǒng)架構(gòu)添加虛擬化層后，系統(tǒng)運行開銷與虛擬機在Hikey970環(huán)境下的開銷變化，需要對Hy?pervisor的性能加以分析。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，在添加虛擬層后，系統(tǒng)round-trip IPC通信的cycle次數(shù)為3302＜5000，符合標準UPC的性能要求。在測試上下文切換及中斷處理開銷時，可以發(fā)現(xiàn)，12000次上下文切換情況下，cycles次數(shù)為2773368個，中斷過程中需處理的cycle 個數(shù)為5279199 個，個數(shù)約為90%的直接在Hikey970環(huán)境下運行產(chǎn)生的額外開銷，因此，可以認為該系統(tǒng)的應用性能符合要求。

3 結(jié)論

總而言之，在半虛擬化微內(nèi)核架構(gòu)，無法滿足當前嵌入式系統(tǒng)工作需要的情況下，構(gòu)建實時響應的嵌入式系統(tǒng)虛擬化微內(nèi)核架構(gòu)，并依托結(jié)構(gòu)性能測試結(jié)果，對架構(gòu)的性能加以優(yōu)化，成為降低超調(diào)用開銷，提高實時操作系統(tǒng)可調(diào)度性的必要舉措。